一维纳米半导体材料及其电子与光子器件研究 ;博士论文_马仁敏

1、-一维纳米半导体材料及其电子与光子器件研究 ;博士论文_马仁敏 博士研究生学位论文 题目：一维纳米半导体材料及其电子与光子器件研究 姓 名： 学 号： 院 系： 专 业： 研究方向： 导 师： 马仁敏 10604844 物理学院 凝聚态物理 纳米半导体与光电子物理 戴伦 教授 二九年六月 版权声明 任何收存和保管本论文各种版本的单位和个人，未经本论文作者同意，不得将本论文转借他人，亦不得随意复制、抄录、拍照或以任何方式传播。否则，引起有碍作者著作权之问题，将可能承担法律责任。 北京大学博士学位论文 摘要 一维纳米半导体材料及其电子与光子器件研究 摘要 CdS是一种非常重要的光电半导体材料，其纳

2、米结构在纳米电子器件和光子器件等领域有着广泛的应用。本论文以CdS为代表，通过实验考察与理论分析，深入地研究了一维纳米材料的可控生长和掺杂、高性能纳米电子器件的设计与性能提高、纳米线/硅异质结高效率电致发光和纳米线耦合微腔的光学特性。主要创新成果如下： (1) 利用气相金属铟对CdS纳米线(带)进行原位掺杂并对其结构、光学和电学性质 进行了完备的表征，结果显示生长的CdS纳米线(带)具有单晶结构和优异的光学性质，其荧光谱只有半高宽仅为11纳米的带边峰，没有缺陷发光峰；电学表征结果显示In作为浅施主已成功掺入到CdS纳米线(带)中，其电阻率由未掺杂的104 cm降低到3.72 cm。 (2) 采

3、用Si (111)衬底生长出平行于衬底的CdS纳米线网络。提出了异质外延和 同质外延两步法的生长机制。在理解其生长机制的基础上，使用解理的正三 ?0>与角形的Si (111) 衬底,生长出的CdS纳米线六个对称的生长方向<112 正三角形的Si (111)衬底的三条边对应垂直, 从而实现宏观取向可预定的纳米线网络的生长。光学表征显示纳米线网络具有非常高的晶体以及光学质量。利用安装在扫描电镜中的纳米探针对纳米网络的电学性质进行了研究，实验发现纳米线交叉处的节点提供了很好的电学接触，显示出纳米线网络在集成光电子器件中潜在的应用价值。 (3) 通过控制掺杂浓度到约51016 cm-3,

4、在同一根 CdS纳米带上同时实现了良 好的欧姆和肖特基接触，在此基础上研制成功高性能Au/CdS肖特基二极管。Au/CdS肖特基二极管具有接近于1的理想因子(1.14)、极高的整流比(>108)、极小的反向漏电流密度(<3.0105 A?cm-2, ?10V偏压下)和很高的反向击穿电压(>?40 V)。这些二极管重要指标在已报到的各种一维纳米材料二极管中处 I 北京大学博士学位论文 摘要 于国际最高水平。 (4) 首次报道CdS纳米带金属-半导体场效应晶体管(MESFET)。相对于纳米线(带) 金属-绝缘体-半导体场效晶体管(MOSFET)而言，纳米线(带)MESFET不需要

5、栅极绝缘介质，从而使其制备工艺简化、成本降低，更为重要的是其栅极与沟道之间有更好的电容耦合，使其可以有更大的电压和功率增益。制备的CdS纳米带MESFET的开关比、阈值电压、跨导、亚阈值摆幅等晶体管重要指标在已报道的纳米场效应晶体管中处于国际最高水平；载流子迁移率达到330 cm2/V?s，非常接近体单晶CdS材料的电子迁移率。 (5) 增强型晶体管具有高速低功耗的特点，在现在的微电子工艺中被广泛采用。 但对于纳米线(带)器件来说却难以制备。首次实现了低功耗增强型纳米线MESFET之后，将该方法推广到其它纳米材料上。 (6) 首次提出带有附加肖特基接触的纳米线(带)MOSFET的新结构器件。实

6、验上 证明利用附加的肖特基势垒产生的沟道窄化效应可以使CdS纳米(线)带MOSFET阈值电压大幅减小，跨导大幅增加。随后利用这一方法实现了背栅n沟道增强型ZnO纳米线和p沟道增强型Zn3P2纳米线MOSFET。这些低阈值电压、高跨导的纳米线(带)晶体管有助于实现低电压、高增益纳米线逻辑电路。 (7) 首次在单根纳米线上构建了基于MESFET的n沟道金属-半导体(NMES)反相器。 首先在单根纳米线上构建两个高性能的MESFET，此种纳米线晶体管具有高开关比(107), 小阈值电压( ?0.4V)，达到了理论极限的亚阈值摆幅(60 mV/dec)。然后利用这两个晶体管构建了高性能的NMES反相器

7、，与构建在纳米线MOSFET上的反相器相比，这种类型的反相器具有更高的电压增益，且不需要绝缘层，制备工艺简单。制备的反相器具有高达83的电压增益，至今仍是一维纳米材料反相器中最高的增益值。在此基础上还构建了纳米线“与非”门，“或非”门逻辑电路。 (8) 制备成功纳米线互补型金属-半导体(CMES)反相器。利用电场排布的方法在 单根n型CdS纳米线旁边排列单根p型Zn3P2纳米线，制备成功CMES纳米线反相器。在供给电压为0.5 V时，该反相器操作电压约为1.5 V、电压增益为10、静态功耗低至0.025 nW。还利用附加肖特基接触的新型纳米线 II 北京大学博士学位论文 摘要 MOSFET制备

8、了互补型金属-绝缘体-半导体(CMOS)反相器。由于顶肖特基接触大幅降低了n沟道和p沟道纳米线MOSFETs的阈值电压，使其操作电压从原先大于10 V，降低到3 V左右。在供给电压为1 V时，该反相器操作电压约为2.5 V、电压增益为13、静态功耗低至0.015 nW。这些小操作电压、超低功耗的反相器将是构建基于纳米线大规模电子器件的理想候选者。 (9) 研究了CdS纳米带/Si异质结电致发光。当加一定的正向偏压时，其电致发光 肉眼可见，从异质结中观测到的电致发光谱与单根CdS纳米带的光致发光谱相似，说明电致发光来源于电子、空穴(来自硅)在CdS纳米带中的辐射复合。 CdS的带边峰半高宽只有1

9、1纳米，没有杂质峰。随后，又与Harvard大学研究小组同时首次报道了单根ZnO纳米线/Si异质结电致发光。同他们的结果相比，我们的电致发光谱，紫外带边电致发光占主导地位。 (10) 首次制备并研究了CdS纳米线微环腔。在此基础上，通过将一根解理的直的 纳米线构置在微环腔边上从而构成了耦合的纳米线微环法-布腔。实验发现直的纳米线不但可以作为波导将环形微腔的光引出，而且可以作为模式调制器调制环型微腔中的回音壁模式。 关键词：纳米，掺杂, 电子输运，场效应晶体管管，逻辑电路，异质结，光致发光，电致发光，微腔 III 北京大学博士学位论文 摘要 IV 北京大学博士学位论文 摘要 Study of O

10、ne-Dimensional Semiconductor Materials and Nano- Electronic & Photonic Devices Abstract CdS, with a direct band-gap of 2.4 eV at room temperature, is one of the most important group II-VI semiconductors and has been widely used in making optoelectronic and electronic devices. This thesis systemi

11、cally investigates the synthesis and doping of one-dimensional semiconductor CdS materials and the fabrication of nano-electronic & photonic devices based on them. The main achievements are as follows: 1. Implemented an in-situ vapor doping method to obtain high conductivity and mobility CdS nan

12、owires and nanobelts for the first time. The synthesized CdS nanowires and nanobelts are with single crystal structure. The photoluminescence spectra of them are dominated by an intense sharp band-edge emission with full width at half maximum of only about 11 nm, and free from deep-level defect emis

13、sions. The resistivity of the doped CdS nanowires and nanobelts is about 3.72 cm, much lower than 104 cm of the unintentionally doped CdS NBs , indicating that In atoms have been effectively doped into the CdS NBs as shallow donors. ?0> directions and 2. Discovered that CdS nanowires can grow alo

14、ng the <112 form a network in a plane parallel to the Si (111) substrate. The growth mechanism of the nanowire network was suggested. In addition, the cleaved regular triangle Si (111) wafers were used as the substrates to synthesize the CdS nanowire networks with predictable directions. The obse

15、rved free-exciton and bound-exciton emission peaks at 77 K show that the synthesized nanowires are with very high crystalline and optical quality. Electrical measurement results indicate that the nanowires in the networks have high electrical quality, and the current can flow through different NWs v

16、ia the cross-junctions. V 北京大学博士学位论文 摘要 3. Realization of ideal ohmic and Schottky contacts with CdS nanowires and nanobelts. Based on this, we have fabricated high performance Au/CdS nanobelts Schottky diode. An on/off current ratio is obtained to be greater than 108. The reverse current density is

17、 only about 3.0105 A?cm-2 even when the reverse bias approaches 10 V. The breakdown voltages of the CdS NB Schottky diodes are about 40 V. All of the above parameters are the best values reported for nanowire or nanobelts Schottky diodes so far. 4. Fabricated and studied and nano-MESFETs based on si

18、ngle CdS NBs for the first time. The single CdS nanobelt MESFETs exhibit n-channel normally-on mode and excellent performances, such as low threshold voltage (1.56 V), high transconductance (3.5 S), low subthreshold swing (45 mV/dec), and the highest on/off current ratio (2108) reported so far for n

19、ano-field-effect-transistors. The electron mobility of CdS nanobelts is about 330 cm2/V?s, quite close to that of bulk CdS single crystal material (340cm2/V?s). 5. Design and fabrication of enhancement-mode metal-semiconductor field-effect-transistors based on nanowire for the first time. Enhancemen

20、t-mode field-effect-transistors, which do not have a conductive channel at zero gate voltage, have more advantage than depletion-mode FETs in high speed and low power consumption operation devices. However, they are usually more difficult to be implemented. We adopted a top surrounding Schottky gate

21、, which has larger contact area with the CdS nanowire, to increase the gate depletion effect and pinch-off the channel at zero gate voltage to realize enhancement-mode nanowire metal-semiconductor field-effect-transistors. Our method to realize enhancement-mode metal-semiconductor field-effect-trans

22、istors can be extended to other materials. Using this method, we have fabricated enhancement-mode p-Zn3P2 nanowire metal-semiconductor field-effect-transistors. 6. Discovered that the Schottky barrier could be used to reduce the operating voltages and increase the transconductances of single CdS nan

23、obelt MOSFETs. The mechanism is discussed. We have shown that the absolute value of threshold VI 北京大学博士学位论文 摘要 voltage for a metal-insulator-semiconductor field-effect-transistor made on a single CdS NB can be reduced from 12.5 V to 0.4 V, and its transconductance can be increased from 0.2 S to 3.2

24、S by adding an extra Au Schottky contact on the CdS NB. This method even could be used to realize enhancement-mode field-effect transistors and extended to other semiconductor materials. Using this method, we have fabricated enhancement-mode n-ZnO and p-Zn3P2 nanowire metal-insulator-semiconductor f

25、ield-effect-transistors. 7. Demonstrated nanowire logic circuits based on MESFETs for the first time. High performance NMES inverter was constructed by combining two identical n-channel MESFETs made on single CdS nanowires. The inverter has a voltage gain as high as 83, which is the highest one repo

26、rted for inverters made on one-dimensional nanomaterials so far. By assembling three identical NW MESFETs, NOR and NAND gates have been demonstrated. 8. Demonstrated the construction of CMES inverters with single n- and p-type nanowires on the same chip for the first time. A single p-type nanowire w

27、as assembled by the side of an n-type nanowire via the electric field assembly method. N- and p-channel MESFETs were fabricated with the n- and p-type nanowires, respectively. Based on this, the first high performance nanowire CMES inverter was built. We also fabricated and studied CMOS inverters ba

28、sed on Schottky barrier enhanced nanowire MOSFETs. 9. Fabricated the first silicon based nanowire light-emitting diodes in China. Electroluminescence spectra of the n-CdS nanobelt/p+-Si heterojunction are dominated by an intense sharp band-edge emission with full width at half maximum of only about

29、11 nm and free from deep-level defect emissions. A few month later, single n-ZnO nanowire/p+-Si heterojunction electroluminescence devices have also been fabricated. A sharp 382 nm ultraviolet electroluminescence from single ZnO nanowire is obtained. The EL intensity for both heterojunctions increas

30、es with the forward bias. Our results were reported simultaneously with that of group in Harvard University. Compared to their VII 北京大学博士学位论文 摘要 results, the EL spectrum from ZnO nanowire/ p+ Si heterojunction is dominated by a UV peak. 10. Fabricated and studied CdS NW ring cavities for the first t

31、ime. The rings with radii from 2.1 to 5.9 m were fabricated by a nanoprobe system installed in a SEM. Radius dependent WGMs were observed and confirmed. Further, a coupled R-F-P cavity was constructed by placing a straight NW by the side of a NW ring. The experiment results indicated that the straig

32、ht NW not only served as a waveguide to couple the light out but also as a modulator to modulate WGMs of the ring cavity. Such a coupled cavity is useful for the applications of nano photonic integrated circuits. Keywords：Nanowires, Doping, Transport, Field-effect-transistor, Logic circuit, Heteroju

33、nction, Photoluminescence, Electroluminescence, Microcavity VIII 北京大学博士学位论文 目录 目录 第一章: 绪论 . 1 1.1 纳米科技的概念 . 1 1.2 纳米科技发展历史简介 . 1 1.3纳米材料的基本理论基础. 3 1.4 纳米材料的重要成员：一维纳米材料 . 7 1.5 一维纳米材料合成：一切从这里开始 . 8 1.5.1 一维纳米材料的合成 . 8 1.5.2 一维纳米材料的生长机制 . 8 1.6 从材料到器件：“Bottom-Up”组装 . 10 1.7 基于一维纳米材料的器件研究 . 12 1.7.1 一维

34、纳米材料晶体管及逻辑电路 . 12 1.7.2 一维纳米材料光子器件研究进展 . 18 1.7.3 其他种类的一维纳米材料器件 . 23 1.8 大规模排布与组装：走向集成与应用 . 27 1.9本文的研究动机和总体结构. 28 1.9.1本文的研究动机. 28 1.9.2 本文的总体结构 . 30 第二章 CdS 纳米线(带)生长与掺杂 . 33 2.1引言. 33 2.2 CdS纳米线(带)的生长和掺杂 . 33 2.3 CdS纳米线(带)的形貌、结构和组分表征 . 34 2.4 CdS纳米线(带)的光学表征 . 37 2.5 CdS纳米线(带)的电学表征 . 39 2.6 结论 . 41

35、 第三章：CdS纳米线网络生长与表征 . 43 3.1 引言 . 43 3.2 CdS纳米线网络的生长与结构表征 . 43 3.2.1 CdS纳米线网络的生长 . 43 3.2.2 CdS纳米线网络的结构表征 . 44 3.2.3 CdS纳米线网络的生长机制 . 46 3.3 CdS纳米线网络的光学表征 . 46 3.4 CdS纳米线网络的电学性能 . 47 3.5结论. 49 第四章 纳米线(带)场效应晶体管 . 51 4.1 引言 . 51 4.2 肖特基二极管 . 52 4.2.1 引言 . 52 IX 北京大学博士学位论文 目录 4.2.2 Au/CdS纳米带肖特基二极管 . 52 4

36、.3 耗尽型纳米线(带)场效应晶体管 . 56 4.3.1 耗尽型纳米线金属-绝缘体-半导体场效应晶体管 . 56 4.3.2 耗尽型纳米线金属-半导体场效应晶体管 . 58 4.4 增强型纳米线(带)场效应晶体管 . 63 4.4.1 引言 . 63 4.4.2 增强型纳米线金属-半导体场效应晶体管 . 63 4.4.3 增强型纳米线金属-绝缘体-半导体场效应晶体管 . 66 4.5 结论 . 71 第五章：纳米线逻辑门电路 . 73 5.1 引言 . 73 5.2 n沟道金属-半导体反相器及逻辑电路 . 73 5.2.1 n沟道金属-半导体反相器 . 73 5.2.2 n沟道金属-半导体逻

37、辑电路 . 79 5.3 互补型金属-半导体反相器 . 80 5.4 带有附加肖特基接触的互补型金属-绝缘体-半导体反相器 . 84 5.5 结论 . 87 第六章：纳米线硅基电致发光器件 . 89 6.1 引言 . 89 6.2 CdS纳米线/p+-Si异质结发光二极管. 90 +90 6.2.1 CdS纳米线/p-Si异质结的制备流程. +6.2.2 CdS纳米线/p-Si异质结的电致发光性能研究. 91 +93 6.3 ZnO纳米线/p-Si异质结的电致发光性能研究. +6.3.1 ZnO纳米线/p-Si异质结的制备. 94 6.3.2 ZnO纳米线/p+-Si异质结的电致发光性能研究.

38、 94 6.4 结论 . 95 第七章 纳米线环法-珀耦合微腔中的光耦合与调制 . 97 7.1 引言 . 97 7.2 纳米线微腔制备及实验设备 . 97 7.3 结果和讨论 . 98 7.4 结论 . 106 第八章 总结 . 109 攻读博士学位期间发表的论文 . 113 致谢 . 113 X 北京大学博士学位论文 第一章 绪论 第一章: 绪论 1.1 纳米科技的概念 纳米科学与技术（nano science and technology），从20世纪80年代出现发展至今，已经在信息、材料、能源、环境、生物、农业、国防等领域引起了广泛的关注，并被认为是21世纪头等重要的科学技术。纳米是一

39、个长度单位，1纳米（nm）10-9米，大约是一个人头发直径的八万分之一，或者一个氢原子直径的十倍。纳米科技即是研究纳米尺度的多学科交叉性质的一门科学，它的内容包括纳米材料学、纳米电子学、纳米生物学、纳米机械学、纳米加工学、纳米光子学、纳米检测与表征。 1.2 纳米科技发展历史简介 1959年的12月29日，Richard P. Feynman在美国加州理工学院举行的美国物理学会年会上发表了一篇演说，题目为“There is plenty of room at the bottom”。在一个小尺度下来操运和控制东西能力而可能获得的巨大利益吸引了Feynman的注意力，他预言在未来的某个时间，这些

40、东西将在原子尺度进行组装，按照人的意志操纵并安排一个个原子是完全可能的。 1962年，日本物理学家Kubo在金属粒子理论研究中发现，由于超微粒子中原子数的减少，使能带中的能级间隔加大，变为不连续能级，金属超微粒子中电子能级具有类似孤立原子中能级的不连续性。在低温下，即费米能级附近的平均能级间隔大于kT时，金属超微粒显示出与块体材料有显著不同的物理性质。后来，人们把金属超微粒材料的这种效应称为久保效应。继后又提出了著名的久保理论，也就是超微颗粒的量子限制理论或量子限域理论，从而促进了实验物理学家向纳米尺度的微粒进行探索。 1963年，Uyeda及其合作者用气体冷凝，通过在高纯的惰性气体中蒸发和冷

41、凝过程获得清洁表面的超微粒子，并对单个金属超微粒子的形貌和晶体结构进行了透射电子显微镜研究。 1 北京大学博士学位论文 第一章 绪论 在1968年，贝尔实验室的Alfred Y. Cho和John Artur发明了分子束外延生长(MBE)，这种技术可以在表面上沉积出单层原子。 1970年，江崎与朱兆祥考虑到量子相干区域的尺度，首先提出了半导体超晶格的概念，这是按照一定的规则将一定厚度的纳米薄层人工堆积起来的结构。随后，利用分子束外延技术，张立纲和江崎等制备了能隙大小不同的半导体多层膜，在实验室中实现了量子阱和超晶格，观察到了极其丰富的物理效应。量子阱和超晶格的研究成为半导体物理学非常热门的领域

42、。 1974年，日本学者Taniguchi提出了“Nanotechnology”一词，指的是提高材料机械加工和制成精度。 1982年，G. Buining 和 H. Rohrer发明了扫描隧道显微镜(STM)，实现了在原子和纳米尺度上观察和操纵原子的功能。 1984年，西德Gleiter教授用惰性气体蒸发原位加压法制备了具有三维纳米块状试样的纳米微粒，然后在真空室中原位加压成纳米固体，制成具有清洁表面的纳米晶体Pb，Cu，Fe等，并提出了纳米材料界面结构模型。随后发现CaF：纳米离子晶体和纳米陶瓷在室温下出现良好的韧性，使人们看到了陶瓷增韧的新的战略途径。 1985年，Kroto等采用激光加热

43、石墨蒸发并在甲苯中形成碳的团簇。质谱分析发现C60和C70的新谱线，而C60具有高稳定性的新奇结构，而且物理性质也很奇特。纯C60固体是绝缘体，用碱金属掺杂之后就成为具有金属性的导体，适当地掺杂成分可以使C60固体成为超导体。 1987年美国阿贡国立实验室Siegel博士制备出纳米TiO2多晶陶瓷，呈现良好的韧性，在100多度高温弯曲仍不裂。这一突破性进展造成第一次世界性纳米热潮，使其成为材料科学的一个分支。 1988年，发现巨磁阻效应，FeSiBNbCu纳米微晶软磁材料问世。 1989年，IBM公司的Donald M. Eigler操纵单个的氙原子写下了“I-B-M”三个字母。 1990年7

44、月，在美国巴尔的摩召开了首届国际纳米科学技术会议。正式将纳米材料科学作为材料科学的一个新的分支公布于世。从此以后，纳米科技进入一个迅猛发展的时期。 1991年，日本学者Iijima利用电弧蒸发法合成了碳纳米管。 2 北京大学博士学位论文 第一章 绪论 20世纪90年代开始，纳米科技得到迅速发展，新名词、新概念不断涌现，像纳米材料学、纳米电子学、纳米光子学、纳米机械学、纳米生物医学、纳米压电电子学等等。 纳米科技是21世纪非常重要、将对人类的生存和发展产生显著影响的科技领域，已经引起了各国政府的高度关注。2000年2月，美国政府公布了一项报告，名称为“国家纳米技术倡议”（National Nan

45、otechnology Initiative）1。在这份报告中，把发展纳米技术放在了科学技术发展的最优先地位。随之，日本和欧洲也都制定和实施了相应的计划。我国也由政府组织领导和协调小组在2001年制定了 2国家纳米技术发展纲要。2003年3月，国家纳米中心在北京正式成立，中 科院物理所、北京大学、清华大学等单位也成立了专门的纳米中心。国家重点基础研究发展计划（973 Project）、国家自然科学基金委等给予了纳米科技研究强有力的支持。 1.3纳米材料的基本理论基础 3,4,5 纳米材料是一种典型的介观系统，其尺寸与物质的许多特征长度，如电子的德布罗意波长、超导相干长度、隧穿势垒厚度、铁磁性临

46、界尺寸相当。因此出现了许多独特的性质和新的规律，如量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应、宏观量子隧穿效应、库仑阻塞及介电限域效应等。下面将叙述纳米材料的主要物理效应和相应的理论。 量子尺寸效应 当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象和纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级，能隙变宽的现象均称为量子尺寸效应。当分裂的能级间距大于热能、磁能、静磁能、静电能、光子能量或超导态的凝聚能时，这时必须要考虑量子尺寸效应，这会导致纳米微粒磁、光、声、热、电以及超导电性与宏观物性有明显的不同。如纳米微粒的比热、磁化率与所含的电子奇偶性有关

47、，光谱线的频移，催化性质与粒子所含电子数的奇偶有关等。 根据kubo理论，能级间距和颗粒直径有如下关系:?= 3 3?1?3, 式中 北京大学博士学位论文 第一章 绪论 积，?为微粒直径，?为电子质量，?为电子密度，?为普朗克常数。对体材料而言，宏观物体包含无限个原子(导电电子数?，由?表达式可知宏观物体的能级间距?0，即体材料的能级连续变化:而对包含有限个原子的纳米微粒而言，?为有限值，因此?0，即纳米微粒的能级间距发生分裂，电子结构类似于原子的分立的能级，量子尺寸效应十分显著。由于粒子尺寸减小、比表面积显著增大，使处于表面的原子、电子与处于粒子内部的原子、电子的行为出现很大的差别。这就使得

48、纳米体系中的光、热、电、磁等物理性质及化学性质与宏观物体显著不同。如当金属被细分到小于光波波长时，就失去原有的光泽而呈黑色。尺寸越小，颜色越黑。因此，金属超细微颗粒对光的反射率很低。利用此特性可以作为高效率的光热、光电等变换材料，可以高效地将太阳能转变为热能和电能。此外，还可用于红外敏感元件、红外隐身技术等。又如颗粒的磁化率和比热容随着所含电子的奇偶性会产生光谱线的频移、介电常数的变化等现象。近年来，人们还发现纳米微粒在含有奇数或偶数电子时显示出不同的催化性质。通过控制材料的各个维数上的量子限制，从而达到调节半导体的发光性质是量子尺寸效应应用的一个典型例子。在量子阱结构中，其被激发的电子空穴对的自由度被限制在二维尺度。而在量子线和量子点中，其自由度分别被限制在一维和零维尺度。 表面效应 纳米材料的表面效应是指纳米粒子的比表面积随粒径的变小而急剧增大，使其表面原子数与总原子数之比急剧增加所引起的性质上的变化。球形颗粒的表面积(4?2)与半径的平方成正比，其体积(4/3)?3)与半径的立方成正比，故其比表面积(表面积/体积=3/R)与半径(或直径)成反比。随着颗粒直径变小，比表面积将会显著增大，说明表面原子所占的百分数将会显著地增加。当粒径为1 nm时，其表面原子百分比可达到99%，所包含的原子几乎全部集中在其表面。原子几乎全部集中到