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奈米結構材料之特殊現象

奈米結構材料之特殊現象. 奈米現象 - 表面效應. 當物質顆粒小至奈米級時，表面原子個數比例增加，比表面積隨之增加，其原子配位因而不足，導致大量的懸空鍵和不飽和鍵，表面能高，故表面原子具有 高的活性 ， 極不穩定 ， 很容易與其他原子作用或鍵結，造成物質特性的變化 ，這種現象稱為 表面效應 ( surface effect ) 。. 奈米現象 - 荷葉效應. 奈米現象 - 小尺寸效應.

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奈米結構材料之特殊現象

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Presentation Transcript

  1. 奈米結構材料之特殊現象

  2. 奈米現象-表面效應 當物質顆粒小至奈米級時，表面原子個數比例增加，比表面積隨之增加，其原子配位因而不足，導致大量的懸空鍵和不飽和鍵，表面能高，故表面原子具有高的活性，極不穩定，很容易與其他原子作用或鍵結，造成物質特性的變化，這種現象稱為表面效應(surface effect)。

  3. 奈米現象-荷葉效應

  4. 奈米現象-小尺寸效應 超導體(superconductor)中，磁場與電流對其具有一個所謂的穿透深度(penetration depth)存在，約為100nm以內數量級的特殊長度，為完美超導體的一個特性參數。另一個特性參數則是相干長度(coherence length)，其為超導體內有序度之範圍。二者皆是材料形成超導體之重要參數。 小 尺 寸 效 應 當微粒的尺度小到與光波長、傳導電子的德布羅依波長及超導體的穿透深度、相干長度…等物理特性尺寸相當或更小之量級時，晶體週期性的邊界條件將被破壞，非晶態奈米微粒的顆粒表面層附近原子密度減小，導致其光學、電學、磁學、力學、聲學及熱學等特性的巨大改變。 金的熔點℃ 金微粒半徑(nm) 金微粒之大小與其熔點之間的關係曲線。

  5. 奈米現象-量子尺寸效應 當半導體材料縮小至一定大小以後(10 nm以內就很明顯)，其電子能量不再連續，電子能量呈能階分佈，造成材料之物化或光學特性的改變而與塊材半導體有相當大的差異，這種現象稱為量子尺寸效應(quantum size effect)。 bulk Nano-material

  6. 奈米現象-量子尺寸效應 奈米粒子發光：水溶液中的半導體(CdSe)超微粒子因紫外線照射而發光。粒徑愈大愈成紅色。

  7. 奈米現象-量子尺寸效應 藍移 發 光 強 度 有些奈米微粒，隨著微粒之大小之遞減，其光譜線的位置會往較高能方向移，亦即其光吸收往短波範圍移，這就是所謂藍移(blue shift)現象。此乃能隙變寬所致。而若光吸收往長波範圍移，就是所謂紅移(red shift)現象。 能量(eV) 硒化鎘(CdSe)奈米微粒大小自1.5 nm(最上方譜線)至4.3 nm(最下方譜線)的七個量子點的歸一化的光發光激發光譜曲線。圖中顯示光譜線隨奈米微粒之微小化而產生的藍移現象。

  8. 奈米現象-量子限域效應 當量子奈米晶體、量子點或半導體結構的尺寸小於塊材的波耳激子(Bohr exciton)的波耳半徑時，此時材料中電子的平均自由行程(mean free path)會受到限制，產生強烈的量子限域效應(quantum confinement effect)。

  9. 奈米現象-量子限域效應 電子與電洞受到侷限的影響使得二者的波函數產生重疊而形成激子(exciton)，產生激子吸收帶。若粒徑為激子半徑的數倍大時，激子之質量中心被侷限在奈米晶 體內，結果於低溫時會有一巨大強度的激子共振。 激子(exciton):受庫侖作用的影響所形成的電子-電洞對。

  10. 奈米現象-量子限域效應 分子束磊晶成長(Molecular Beam Epitaxy, MBE)

  11. 奈米現象-量子限域效應

  12. 奈米現象-庫侖堵塞效應 當元件縮小至約200nm以下且為準二維的平面設計或微粒尺度小至奈米級時，電流隨電壓的上升不再是直線的，而是在I-V曲線上呈現出鋸齒狀的台階。因為進入奈米級後，材料電荷是"量子化"的，充電和放電過程是不連續的。這導致對這樣一個體系的充放電過程中，電子無法集體傳輸，而必須逐個傳輸，這就是所謂的庫倫堵塞效應(Coulomb blockade effect)。

  13. 奈米現象-介電限域效應 奈米微粒分散在異相介質中由於界面而引起的體系介電增強的現象稱之介電限域效應(effect of dielectric confinement)。 • 一般而言，過渡金屬氧化物和半導體微粒都可能產生此類效應。其對材料之光吸收、光化學、和非線性光學等都會有重大的影響。 • 未來可將這種技術應用於積體電路、通訊、資訊等領域上。目前，已開發出以常壓低溫的製程製備奈米級高介電粉體和薄膜材料，可將其應用於電腦記憶元件、微機電元件、微波元件、感測器、及光電IC等方面。

  14. 奈米現象-量子穿隧效應 一個量子點(quantum dot)上的單一電子穿過能障到另一個量子點的行為稱之為量子穿隧效應(tunneling effect)。

  15. 奈米現象-超順磁效應 具鐵磁性(ferromagnetism)的材料進入奈米級時(～5nm)時，因為由磁域變成單磁域，故顯現出極強的順磁性(paramagnetism)。奈米磁性金屬的磁化率可以是普通金屬的20倍，而飽合磁矩為普通金屬的一半。

  16. 奈米現象-時間尺度效應 1.奈米的時間尺度效應→單位時間內材料尺度的變化現象。 2.載子於平衡狀態的運動時間極短(約幾ns)，在巨觀系統下無法描述此狀態，故需於微觀尺度的物理模型來描述整個系統。 3.微觀系統則定義了鬆弛時間t來描述系統整個狀態。

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