ZnO超微粒子的量子尺寸效应和光催化性能(1)
为活跃的一个研究方 向
OH 基团, 进而生成 氧化能力较强的 OH 自由
第 33 卷
第 3 期
哈 尔 滨 工 业 大 学 学
报
Vol. 33, No. 3 2 0 0 1 年 6 月
JOURNAL OF HARBIN INSTITUTE OF T ECH NOLOGY
Jun . , 2 0 0 1
ZnO 超微粒子的量子尺寸效应和光催化性能
井立强1, 孙晓君1, 郑大方2, 徐
跃2, 李万程2, 蔡伟民1
( 1. 哈尔滨工业大学 环境科学与工 程系, 黑龙江 哈尔滨 150001; 2. 吉林大学 分析测试中心, 吉林 长春 130021)
摘
要: 利用 Raman 激光 光谱、XRD 、T EM 、BET 、SPS 和 U V - V is 等手 段研究了 ZnO 超微粒 子的量子尺 寸 效应和光催化性能. 结果发现, 前驱物碱式碳酸 锌在 320、430 和 550
经 热处理制 得的 ZnO 超微 粒子的 粒
径分别为 13. 5、19. 3 和 26. 1nm, 属六方晶系纤锌矿结构; 随着热处理温度的降低, ZnO 粒子的粒径减 小, Ra man 激光光谱、SPS 和 U V - Vis 吸收峰均发生蓝移, 表现了量子尺寸效应; 在光催化降解苯酚 的过程中, ZnO 超微粒子比商品 ZnO 的光催化活性高, 且随着热处理温度的升高, 其光催化活性下降 . 关键词: ZnO; 超微粒子; 量子尺寸效应; 苯酚; 光催化 中图分类号: O643
文献标识码: A
文章编号: 0367 6234( 2001) 03 0344 05
Quantum size effect and photocatalytic properties
of ZnO ultrafine particles
JING Li qiang 1, SUN Xiao jun 1, ZH ENG Da fang 2, XU Yue 2, LI Wan cheng 2, CAI Wei min 1
( 1. Dept. of Environmental Sciences and Engineering, Harbin Institute of T echnology , Har bin 150001, China;
2. Analysis and T est ing Ex perimental Center, Jilin U niversit y, Changchun 130021, China)
Abstract: Presents the investigation into the quantum size effect and photocatalytic properties of ZnO ultra fine particles using different testing techniques such as laser Ram an spectra, XRD, TEM, BET, SPS, UV V is absorption spectra. Points out that the ZnO ultrafine particles were obtained by calcining the precursor, zinc carbonate hydrox ide, at 320, 430 and 550
, w hose sizes were 13. 5, 19. 3 and 26. 1 nm respectively,
being wurtzite structure attached to hex agonal system; and concludes that the size of ZnO particle de creased, w hile the laser Raman spectra, surface photovoltage , UV Vis absorption spectra of ZnO ultrafine particle all shifted to the blue as the calcined temperature decreased, which demonstrated the quantum size effect and the ZnO ultrafine particle had higher activity than the commercial ZnO sample in photocatalysis to degrade phenol, w hose photocatalytic activity decreased as the calcined tem perature increased. Key words: ZnO; ultrafine particle; quantum size effect; phenol; photocatalysis
光催化消除和降解污染物已成为环境领域较
化性. 它可夺取半导体颗粒表面被吸附物质或溶 . 20 多年来, 物 理、化
剂中的电子, 使其被氧化; 电子受体通过接受表面 学工作者为了解多相光催化过程的机理, 提高半 导体材料的光催化活性进行了大量的研究工作, 主要涉及光催化反应中电子转移以及能量转移过 程[ 2] . 光生空穴有很强的得电子能力, 具有强氧
收稿日期: 2000- 12- 11.
作者简介: 井立强( 1973- ) , 男, 博士研究生;
( 1946- ) , 男, 教授, 博士生导师.
的电子而被还原. 对光催化反应来说, 光生空穴 的捕获并与电子给体 或受体发生作 用才是有效 的. 光生空穴的俘获剂通常是半导体粒子表面的 -
基; 该活性物种, 在 光催化反应中是主要的氧化 剂[ 1, 3] . 而光生电子的俘获剂主要是吸附在粒子 表面的氧. 它既抑制电子与空穴的复合, 同时也
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井立强, 等: ZnO 超微粒子的量子尺寸效应和光催化性能
345
以, 光催化降解的效率主要取决于两个因素: 一是 催化剂的吸光能力, 二是光生电子和空穴的分离
G4 漏斗抽滤, 乙醇淋洗, 70 相的 ZnO 超微粒子.
下干燥, 得到了纯
能力. 增加表面缺陷[ 2] 、减小颗粒尺寸[ 4] 、掺杂金 1. 3
苯酚光催化氧化及测试方法
属或过渡金属离子
、采用复合半导体技术
等
配制 20 mg/ l 的苯酚溶液 500 ml, 置于光反
都是提高半导体电荷分离能力的有效途径. 量子 尺寸效应研究发现, 在 Q 粒子中产生的电子和空 应器中, 加入 0. 50 g 商品 ZnO 粉末( AR) 或自制 的超微粒子, 用氙灯( 1000 W ) 从侧面照射, 反应 穴被限制在几何尺寸不大的位能阱中, 使分裂的 温度 30 5
. 间隔 20 min 取样, 经离心分离和
电子态量子化并增大半导体的有效禁带而提高半 导体的光催化活性[ 4] . 这些研究表明, 半导体微 G4 漏斗抽滤后, 采用 4- 氨 基安替 吡啉 比色法 ( 721 型光栅光度计) 测试反应液中的苯酚浓度.
粒的尺寸效应对半导体的电荷分离能力和光催化 活性具有重要的影响. ZnO 是一种重要的半导体 材料; 其体相材料的禁带宽 度为 3. 2 eV, 对应于 2
2. 1
结果与讨论
ZnO 超微粒子的粒度和形貌
波长为 387 nm 的紫外光. 作为一种重要的光催 化剂, 是极少数几个可以实现量子尺寸效应的氧 经 WAXD 测 试, 定 性 出 前 驱 物 的 物 相 是
Zn 5( CO 3) 2( OH ) 6, 其晶体结构为单斜晶系. 用透 化物半导 体材料, 近 年来得 到了人 们广泛 的研 射电镜观察 320、430 和 550
下焙烧前驱物而
究[ 7, 8] . 本 文 采 用 前 驱 物 碱 式 碳 酸 锌 Zn 5( CO 3) 2( OH ) 6热分解的方法制备了 ZnO 超微
粒子, 利 用 Ram an 激光 光谱、XRD 、TEM 、BET 、 SPS 和 UV- Vis 等手段研究了 ZnO 超微粒子的 量子尺寸效应与光催化性能, 为光催化剂的应用 研究提供了一定的依据.
制得的 ZnO 超微粒子的形貌, 图 1 为 320、430
下 ZnO 超微粒子形貌.
1
1. 1
实验部分
实验仪器
利用 Bruker RFS- 100 FT - Raman 激光拉 曼光谱仪测试 ZnO 超微粒子的拉曼光谱特性; 用 美国 PE 公司 Lambda20 型 UV- Vis 光谱仪检测 光吸收性能; 用吉林大学化学系研制的表面光电 压谱仪测试超微粒子的 SPS; 用日本理学公司 D/ max - rA 转靶 X 射线衍射仪测定粒子的晶型与 平均粒径; 用日本 H ITACH I H- 8100EM 透射电 镜观察 ZnO 超微粒子的形貌和粒径及其电子衍 射; 用美国 M IKE 公司 ASAP 2010 吸附测定仪检 测了 ZnO 粒子的表面积. ( a) 320
1. 2
超微粒子的制备
首先是经反应得到高分散的、易分解的前驱 物, 然后通过前驱物的热分解反应制得 ZnO 超微 粒子.
(1) 前驱物的合成: 取 0. 1 mol/ L 的硫酸锌溶液 100 ml , 在剧烈搅拌下滴加适量 的 0. 5 mol/ L 的 NaOH 溶液后, 加 1. 0 g 的 NH 4HCO 3 粉末 , 继续搅 拌 0. 5 h, 放置 1. 0 h 后, 原料呈乳胶状, 经 G3 漏斗 抽滤, 于 80
下干燥, 得到前驱物.
( 2) ZnO 超 微 粒子 制备: 将 前 驱物 分 别在 ( b) 430
图 1 ZnO 超微粒子的 T EM 照片
半导体光催化活性增加
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大 学 学 报
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由图 1 可见: 其粒度分布均匀, 平均粒径分别
表 1
不同 ZnO 粒子的表面积 为 14. 0、20. 0 和 26. 0 nm ; 可见随着焙烧温度的 Table 1
Surface areas of dif ferent ZnO particles 升高超微粒子的粒径随之增加. 根据超微粒子的 ZnO
ZnO ZnO ZnO XRD 衍射峰半高宽数 据, 由 Scherer 公式计算样 ( 320
) ( 430
) ( 550
)
( 商品)
品的平均粒径分别为 13. 5、19. 3 和 26. 1 nm; 可 见由 WAXD 和 TEM 测得的超微粒 子的平均粒 S / m 2 g -
1
47. 3 35. 5 22. 6 13. 8
径是相符的. 对普通 ZnO 也进行了 T EM 测试, 其粒径为 200 nm 左右. 2. 2 ZnO 超微粒子的结构
图 2 为超微粒子和商品 ZnO 的 XRD 谱图, 属六方晶系纤锌矿结构. 从不同温度下焙烧 1 h 的样品 WAXD 谱中可以看出, 在焙烧温度为 320 时, 已经得到了 ZnO 晶体, 并且前驱体碱式碳 酸锌已经分解完全. 随着焙烧温度的升高, 超微 粒子的 X 光衍射峰逐渐由宽变窄, 但是均比普通 ZnO 的宽. 这是因为超微粒子的粒径越小, 与原 子或分子相差也越小, 同时构成微晶的原子数较 少, 以至不能再近似看成具有无限多晶面的理想 晶体, 这样无序的晶间结构及晶体中缺陷使点阵 间距变化, 从而导致 X 射线衍射 峰变宽, 因此可 以说峰的宽 窄与晶粒尺寸有关, 粒 子越小, 峰越 宽[ 9] . 另外, ZnO 超微粒子 XRD 峰比较弱, 说明 了在较低温度下焙烧的 ZnO 晶粒细小, 晶体发育 不完整, 并含有一定的非晶成分. 随着焙烧温度 升高, ZnO UFP 的 X 衍射峰逐渐由宽变窄, 由弱 变强, 意味着 ZnO 晶体逐渐趋于完整.
对于一般的多相催化反应, 在反应物充足的 条件下, 当催化剂表面的活性中心密度一定时, 表 面积越大则活性越高. 但对于光催化反应, 它是 由光生电子与空穴引起的氧化还原反应, 在催化 剂表面不存在固定的活性中心. 因此, 表面积是 决定反应基质吸附量的重要因素; 在晶格缺陷等 其他因素相同时, 表面积越大则吸附量越大, 催化 活性就高[ 3] .
2. 4 ZnO 超微粒子的量子尺寸效应
通过对 ZnO 超微粒子的拉曼光谱、紫外- 可 见吸 收光谱 和表 面光电 压谱的 研究, 证 实 ZnO UFP 具有明显的量子尺寸效应.
图 3 为商品和超微粒子 ZnO 样品的拉曼光 谱; 可见随着 ZnO 粒子粒径的 减小, 其拉曼光谱 发生蓝移, 且粒径越小蓝移越显著, 即量子尺寸效 应越明显.
表 2 为商品和超微粒子 ZnO 样品的紫外- 可见吸收光谱数据. 可见焙烧温度越低, 吸收阈 值蓝移越大, 或者说 ZnO 粒子的粒径越小, 禁带 越宽, 光诱导所需紫外光的波长越短, 表现出明显 的量子尺寸效应. 半导体的光吸收阈值 g 与 E g 有关, 其关系式为: E g ( eV) = 1 240/ g ( nm) . 禁 带变宽使光生空穴具有更强的还原电位, 可能使 10]
. 图 4 为商品和超微粒子 ZnO 样品的表面光
电压谱( SPS) . 表面光电压谱测定的是在光照的 条件下表面势垒的变化, 是在吸收波长下复合过 ( a) 超微粒子( 320 ) ; ( b) 超微 粒子 ( 430
) ; ( c) 超 微粒 子
程的调制结果, 反映了在光激发下样品的吸收特 ( 550
) ; ( d) 商品 ZnO
性和光生载流子的复合过程, 所以, SPS 的起峰阈 图 2 商品和超微粒子 ZnO 的 XR D 衍射图谱
值应该与吸收光谱相近, 故可用 SPS 谱检测出超 F ig. 2 XRD patter ns of a commercial ZnO sample ( d) and
ultrafine particle ZnO calcined at 320 ( a) , 430 ( b) 微粒子 的量子 尺寸 效应[ 11] . 从图 4 可以 发现, SPS 的响应阈值随着 ZnO 粒径的减小而发生蓝 and 550
( c)
移; 粒子越小, 蓝移越显著; 表现出明显的量子尺 寸效应.
2. 3 ZnO 超微粒子的表面积
有文献报道[ 11, 12] , 表面光伏技术有可能发展 利用吸附测定仪测得了 ZnO 粒子的表面积
见表 1; 可见随着焙烧温度的升高, ZnO UFP 的表 面积明显减小, 这是因随着焙烧温度的升高 ZnO 成为一种快速评估光催化剂性能的有效方法. 对 普通多晶粉末的研究发现, 表面光伏信号是其具 有光催化活性的必要条件; 光电压信号越强, 光催
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井立强, 等: ZnO 超微粒子的量子尺寸效应和光催化性能
347
表 2 商品和超微粒 子 ZnO 样 品的紫外 可见吸 收光谱 数
据 Table 2
Data of Uv- Vis spectra of a commercial ZnO sample and ZnO ultrafine particles
ZnO max /
nm
E g / eV
ZnO ( 320
ZnO ( 430 ZnO ( 550
)
)
)
372. 2 381. 1 385. 6 3. 30
3. 25
3. 22
ZnO( 商品)
387. 4
3. 20
a: ( 320
) , b: ( 430
) , c: 超微粒子( 550
) , d: 商品 ZnO
图 4 商品和超微粒子 ZnO 的表 面光电压谱 Fig. 4 SPS respones of a commercial ZnO sample and ZnO
ultrafine particles
化活性越高. 但是对于超微粒子粉末催化性能的
研究得到了与普通多晶粉末光催化剂不同的研究 结果, 即表面光伏信号越弱, 光催化活性越高. 这 是由于表面光电压是源于半导体材料表面( 空间 电荷区) 和本体( 中间区) 之间的光致电荷转移, 其 值的大小取决于表面上的净电荷, 对于超微粒子 来说, 与常规多晶粉末材料相比, 其重要差别是粒 度很小, 由此引起空间电荷效应减弱和光生载流 子向表面扩散的时间缩短( 远小于光生载流子的 复合时间) . 从理论上分析, 空间电荷效应的减弱 会影响载流子在表面的积累和光生电子- 空穴对 的分离, 这对表面光电压的产生是不利的, 而光生 电子和空穴能够迅速扩散到颗粒表面, 很容易被 活性表面态( 反应中心) 所捕获, 从而能大大提高 图 3 商品和超微粒子 ZnO 的拉曼光谱
F ig. 3 Raman spectr a of a commercial ZnO sample( d) and
反应效率. 所以对普通的半导体粉末, 表面光伏 响应信号越强, 光催化活性越高; 而超微粒子半导
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化活性越高. 所以, 可以预测超微粒子ZnO 的光催化活性随着粒径的增大而下降. 中, ZnO 超微粒子比商品ZnO 的光催化活性高, 且随着热处理温度的升高, 其光催化活性下降.
2. 5 ZnO 超微粒子的光催化性能
光催化降解实验是将苯酚配制成已知浓度的
参考文献:
稀水溶液, 并加入一定量的ZnO 微粒作为光催化剂, 30 m in 后催化剂吸附苯酚基本达到平衡, 开始进行紫外光照射, 同时测定降解不同时间后苯
酚的含量, 根据苯酚降解速率的快慢来判断不同ZnO 样品的光催化活性. 图5 为苯酚在不同ZnO 微粒上的降解曲线. 该曲线代表两个降解过程:
一是30 min 前, 苯酚的降解是催化剂吸附作用引起的; 可见催化剂的粒径越小吸附作用越大. 二
是30 min 后, 苯酚的降解是催化剂的光催化氧化的结果; 可以发现不同ZnO 样品的光催化活性的[ 1]
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ZnO 超微粒子属六方晶系钎锌矿结构. 随着热处理温度的降低, ZnO 粒子的粒径减小, Raman 激光光谱、SPS 和UV - Vis 吸收峰均发生蓝移, 表现了量子尺寸效应; 在光催化降解苯酚的过程[ 12] 曹亚安, 丁兰, 马颖, 等. T iO2纳米粒子膜的表面态性质对光催化活性的影响[ J] . 高等学校化学学报, 1999, 20( 11) : 1787 1789.
(责任编辑杨波)
量子点效应 知识点
量子点效应，包括：量子尺寸效应、量子隧穿效应、库伦阻塞效应、表面效应、介电效应。 一、首先说下什么是量子点？ 二、下面介绍量子尺寸效应 我们通过控制量子点的形状、结构和尺寸，可以调节带隙宽度，激子束缚能的大小以及激子的能量蓝移等。 那这些是怎么实现的呢？ 首先我们要介绍下，原子能级、能带、禁带宽度、激子束缚能的概念 1、原子能级 说到能级就离不开早期人们对光谱的观察，光谱是电磁辐射的波长成分和强度分布的记录，人们以氢原子模式为例，从氢气放射管中获得氢原子光谱，从1885年开始，巴耳末等人将 氢原子光谱的波数归纳为：?=R H() （1） 那么这些原子是怎么发射光谱的呢，这就需要进一步研究电子在原子核的库伦场中的运动情况，原子核的质量比电子大1836倍，它们的相对运动可以近似的看作只是电子绕原子核的运动，那这样我们考虑简单的圆周运动，电子在场中的动能和体系的势能，我们得到了原子 的能量：E=（4） 和电子轨道运动的频率：f==（5） 从上述原子中的电子轨道运动，按经典理论试图说明光谱就会遇到困难。 （1）原子如果连续辐射，它的能量就逐渐降低，由1.2中(4)可知，电子的轨道半径就要连续的缩小到碰到原子核止，即半径是是10-15米的数量级，才能稳定不变，但从不同实验，测得的原子半径都是10-10米的数量级。这与事实不符。 （2）按照电动力学，原子所发光的频率等于原子中电子运动的频率。现在，如上文说到，原子辐射时，其电子轨道连续缩小，由1.2中(5)可知，轨道运动的频率就连续增大，那么所发光的频率应该是连续变化的，原子光谱应该是连续光谱。但事实不是这样，原子光谱的谱线是分隔的，代表一些分隔而有一定数值的频率。 所以所引用的宏观理论不能用在原子这样的微观客体上， 人们在此基础上发现新的规律——量子化，在玻尔研究这问题时，已经有公认正确的量子论。按照这理论，光能量总是一个单元的整数倍，而每一个单元是hv，这里v是光的频率，h是普朗克常数，在此理论的基础上，我们得到了氢原子内部能量的表达式： E=-n=1，2,3,4… 这个式子也表示能量的数值是分隔的。 求得氢原子的能量后，我们可以把能量式代入氢原子光谱的经验式中，对比经验式，我们就得到里德伯常数R，最终化简，我们得到氢原子能量随量子数n变化
纳米尺寸效应
纳米尺寸效应 纳米是长度单位，原称毫微米，就是10^-9米（10亿分之一米）。纳米科学与技术，有时简称为纳米技术，是研究结构尺寸在1至100纳米范围内材料的性质和应用。纳米效应就是指纳米材料具有传统材料所不具备的奇异或反常的物理、化学特性，如原本导电的铜到某一纳米级界限就不导电，原来绝缘的二氧化硅、晶体等，在某一纳米级界限时开始导电。这是由于纳米材料具有颗粒尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子所占比例大等特点，以及其特有的三大效应：表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。 表面效应 球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积（表面积／体积）与直径成反比。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。对直径大于0.1微米的颗粒表面效应可忽略不计，当尺寸小于0.1微米时，其表面原子百分数激剧增长，甚至1克超微颗粒表面积的总和可高达100平方米，这时的表面效应将不容忽略。 超微颗粒的表面与大块物体的表面是十分不同的，若用高倍率电子显微镜对金超微颗粒（直径为2*10^-3微米）进行电视摄像，实时观察发现这些颗粒没有固定的形态，随着时间的变化会自动形成各种形状（如立方八面体，十面体，二十面体多李晶等），它既不同于一般固体，又不同于液体，是一种准固体。在电子显微镜的电子束照射下，表面原子仿佛进入了“沸腾”状态，尺寸大于10纳米后才看不到这种颗粒结构的不稳定性，这时微颗粒具有稳定的结构状态。超微颗粒的表面具有很高的活性，在空气中金属颗粒会迅速氧化而燃烧。如要防止自燃，可采用表面包覆或有意识地控制氧化速率，使其缓慢氧化生成一层极薄而致密的氧化层，确保表面稳定化。利用表面活性，金属超微颗粒可望成为新一代的高效催化剂和贮气材料以及低熔点材料。 小尺寸效应 随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒而言，尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加，从而产生如下一系列新奇的性质。 （1）特殊的光学性质当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，即失去了原有的富贵光泽而呈黑色。事实上，所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小，颜色愈黑，银白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。由此可见，金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于l％，大约几微米的厚度就能完全消光。利用这个特性可以作为高效率的光热、光电等转换材料，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能。此外又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等。 （2）特殊的热学性质固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的，超细微化后却发现其熔点将显著降低，当颗粒小于10纳米量级时尤为显著。例如，金的常规熔点为1064C℃，当颗粒尺寸减小到10纳米尺寸时，则降低27℃，2纳米尺寸时的熔点仅为327℃左右；银的常规熔点为670℃，而超微银颗粒的熔点可低于100℃。因此，超细银粉制成的导电浆料可以进行低温烧结，此时元件的基片不必采用耐高温的陶瓷材料，甚至可用塑料。采用超细银粉浆料，可使膜厚均匀，覆盖面积大，既省料又具高质量。日本川崎制铁公司采用0．1～
纳米材料的量子效应
“纳米材料的量子效应”研究报告
目录 目录 (2) 概念 (3) 定义： (3) 举例： (3) 应用 (3) 理论应用： (3) BCS理论 (3) 量子霍尔效应 (5) 实际应用： (6) IMEC开发的硅纳米线太阳能电池利用量子效应使转换效率达30％以上 (6) 研究前沿动态： (8) 总结与个人观点： (13)
概念 定义： 一维势阱模型中，粒子运动范围越小，能级差就越大，从这一规律定性地更复杂的三维体系就不难理解：普通金属费米能级附近的准连续能级在纳米颗粒中会变为离散能级，而半导体中本来存在的窄能障在纳米颗粒中会变宽，当这种能级差大于热能，电场能或者磁场能时，就会呈现出与宏观物体不同的反常特性，即量子尺寸效应。 举例： 金属在超微颗粒时可变为绝缘体，磁矩大小与颗粒中电子数的奇偶有关，光谱线向短波移动，等等。 应用 理论应用： BCS理论 BCS 理论是解释常规超导体的超导电性的微观理论（所以也常意译为超导的微观理论）。该理论以其发明者约翰·巴丁（John Bardeen）、利昂·库珀（L.V.Cooper）和约翰·罗伯特·施里弗（J.R.Schrieffer）的名字首字母命名。
某些金属在极低的温度下，其电阻会完全消失，电流可以在其间无损耗的流动，这种现象称为超导。超导现象于1911年发现，但直到1957年，巴丁、库珀和施里弗提出BCS理论，其微观机理才得到一个令人满意的解释。BCS理论把超导现象看作一种宏观量子效应。它提出，金属中自旋和动量相反的电子可以配对形成所谓“库珀对”，库珀对在晶格当中可以无损耗的运动，形成超导电流。在BCS理论提出的同时，尼科莱·勃格留波夫（Nikolai Bogoliubov）也独立的提出了超导电性的量子力学解释，他使用的勃格留波夫变换至今为人常用。 电子间的直接相互作用是相互排斥的库伦力。如果仅仅存在库伦力直接作用的话，电子不能形成配对。但电子间还存在以晶格振动（声子）为媒介的间接相互作用：电声子交互作用。电子间的这种相互作用是相互吸引的，正是这种吸引作用导致了“库珀对”的产生。大致上，其机理如下：电子在晶格中移动时会吸引邻近格点上的正电荷，导致格点的局部畸变，形成一个局域的高正电荷区。这个局域的高正电荷区会吸引自旋相反的电子，和原来的电子以一定的结合能相结合配对。在很低的温度下，这个结合能可能高于晶格原子振动的能量，这样，电子对将不会和晶格发生能量交换，也就没有电阻，形成所谓“超导”。
纳米材料四大效应
1.小尺寸效应：当纳米粒子尺寸与德布罗意波以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，对于晶体其周期性的边界条件将被破坏，对于非晶态纳米粒子其表面层附近原子密度减小，这些都会导致电、磁、光、声、热力学等性质的变化，这称为小尺寸效应 我的理解是尺寸小了就会出现一些新的现象、新的特性。从理论层面讲主要是由于尺寸变小导致了比表面的急剧增大。由此很好地揭示了纳米材料良好的催化活性。 2.表面效应：是指纳米粒子表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后引起的性质上的变化。 其实质就是小尺寸效应。球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积（表面积／体积）与直径成反比。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。当尺寸小于0.1微米时，其表面原子百分数激剧增长，甚至1克超微颗粒表面积的总和可高达100平方米，这时的表面效应将不容忽略。 3. 量子尺寸效应：当粒子尺寸降低到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为分立能级和纳米半导体微粒的能隙变宽的现象均称为量子尺寸效应。 可否直接说连续的能带变成能级。 宏观量子隧道效应：微观粒子具有穿越势垒的能力称为隧道效应。近年来，人们发现一些宏观量，例如微粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化，故称为宏观量子隧道效应。 表面与界面效应 这是指纳米晶体粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。例如粒子直径为10纳米时，微粒包含4000个原子，表面原子占40%；粒子直径为1纳米时，微粒包含有30个原子，表面原子占99%。主要原因就在于直径减少，表面原子数量增多。再例如，粒子直径为10纳米和5纳米时，比表面积分别为90米2/克和180米2/克。因为表面原子数目增多，比表面积大，原子配位不足，表面原子的配位不饱和性导致大量的悬空键和不饱和键，表面能高，因而导致这些表面原子具有高的活性，极不稳定，很容易与其他原子结合。这种表面原子的活性不但易引起纳米粒子表面原子输运和构型的变化，同时也会引起表面电子自旋构象和电子能谱的变化。纳米材料由此具有了较高的化学活性，使得纳米材料的扩散系数大，大量的界面为原子扩散提供了高密度的短程快扩散路径，如金属纳米粒子在空中会燃烧，无机纳米粒子会吸附气体等等。（2）小尺寸效应 当纳米微粒尺寸与光波波长，传导电子的德布罗意波长及超导态的相干长度、透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，它的周期性边界被破坏，非晶态纳米粒子的颗粒表面层附近的原子密度减少，从而使其声、光、电、磁，热力学等性能呈现出新的物理性质的变化称为小尺寸效应。例如，铜颗粒达到纳米尺寸时就变得不能导电；绝缘的二氧化硅颗粒在20纳米时却开始导电。再譬如，高分子材料加纳米材料制成的刀具比金钢石制品还要坚硬。利用这些特性，可以高效率地将
复合材料中的尺寸效应
复合材料中的尺寸效应 复合材料本身就是一种广义的结构，这种结构的破坏问题与结构的尺寸效应有 着必然的联系，复合材料中很多都属于准脆性材料，因此尺寸效应显得尤其重要， 从尺度律和尺寸效应角度研究强度问题是个重要的观点，比如一个长细杠件它的稳定性能一定较差，这也是一种较常见的尺寸效应问题。强度随机性引起的尺寸效应，能量释放的尺寸效应和微裂纹和断裂的分形特性产生的尺寸效应都对复合材料结构的强度的影响有着重要意义。 目前,固体力学中有三种有关尺寸效应的基本理论 : (1)随机强度统计理论 ; (2)长裂纹引起的应力重新分布和断裂能量释放理论 (3)裂纹分形理论,它可分为两大类 : (a) 裂纹表面的侵入式分形特性理论(即表面粗糙度的分形属性) (b) 间隙分形特性理论(代表着微裂纹的分形分布)
这些基本理论概括表现为材料的四种尺寸效应： (l)边界层效应:它是由材料的非均匀性和泊松效应造成的.前者可以混凝土之类的材料为例,由于各种骨料不能穿透表面而使表面层具有不同的成分;而泊松效应指的是,在试样内部可能存在平面应变的状态,它们发生在与试件表面平行的平面上 ,但不是发生在试样的表面，而是发生在试件的中心部位 . (2)表面与裂纹边缘连接处存在三维应力的奇异性: 这也是由于泊松效应引起的.这就造成了断裂扩展区域靠近表面的那一部分的力学行为不同于试样内部 的力学行为 . (3)由扩散现象引起的时间相关的尺寸效应, 所谓扩散可以是多孔介质中热的输运或湿气和化学物质的输运，这一点已在收缩和干燥蠕变现象的尺寸效应中显示出来,原因是半干燥期依赖于尺寸，以及这种尺寸效应对收缩致裂的影响。 (4)材料本构关系的时间相关性 ,特别是材料应变软化的粘性特征
(完整)量子尺寸效应
(完整)量子尺寸效应 编辑整理： 尊敬的读者朋友们： 这里是精品文档编辑中心，本文档内容是由我和我的同事精心编辑整理后发布的，发布之前我们对文中内容进行仔细校对，但是难免会有疏漏的地方，但是任然希望（(完整)量子尺寸效应）的内容能够给您的工作和学习带来便利。同时也真诚的希望收到您的建议和反馈，这将是我们进步的源泉，前进的动力。 本文可编辑可修改，如果觉得对您有帮助请收藏以便随时查阅，最后祝您生活愉快业绩进步，以下为(完整)量子尺寸效应的全部内容。
1.1.1量子尺寸效应 所谓的量子尺寸效应是指粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的电子能级 由准连续变为离散的现象，纳米半导体粒子存在不连续的最高被占据的分子轨道和最低未 被占据的分子轨道能级,能隙变宽，由此导致纳米微粒的光、电、磁、热、催化和超导性等 特性与宏观性存在着显著的差异。如金属纳米材料的电阻随着尺寸下降而增大，电阻温度 系数下降甚至变成负值；相反，原是绝缘体的氧化物达到纳米级时,电阻反而下降；10～ 25nm的铁磁金属微粒矫顽力比同种宏观材料大1000倍，而当颗粒尺寸小于10nm时矫顽力 变为零，表现为超顺磁性。 1。1。2小尺寸效应 当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等 物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏;非晶态纳米微粒的颗粒表面 层附近原子密度减小，导致声、光、电、滋、热、力学等特性呈现新的小尺寸效应.例如： 光吸收显著增加，吸收峰的等离子共振频移，磁有序态向磁无序态转变，超导相向正常相 的转变,声子谱发生改变等,这种现象称为小尺寸效应。 1。1.3表面与界面效应 纳米材料的另一个重要特性是表面与界面效应.由于表面原子与内部原子所处的环境 不同，当粒子直径比原子直径大时（如大于0。01时)，表面原子可以忽略，但当粒子直径 逐渐接近原子直径时，表面原子的数目及作用就不能忽略，而且这时粒子的比表面积、表 面能和表面结合能都发生很大变化.人们把由此引起的种种特殊效应统称表面效应[8,9］。 随着粒径的减小，比表面迅速增大.当粒径为5nm时，表面原子数比例达到约50%以上，当 粒径为2nm时，表面原子数达到80%,原子几乎全部集中到纳米粒子的表面.庞大的表面原 子的存在导致键态严重失配，表面出现非化学平衡、非整数配位的化学键,产生许多活性中心，从而导致纳米微粒的化学活性大大增强，主要表现在：(1）熔点降低.就熔点来说，纳 米颗粒中由于每一粒子组成原子少，表面原子处于不安定状态，使其表面晶格震动的振幅 较大,所以具有较高的表面能量，造成超微粒子特有的热性质，也就是造成熔点下降，同时 纳米粉末将比传统粉末容易在较低温度烧结，而成为良好的烧结促进材料。如金的常规熔 点是1064℃当颗粒尺寸减小到10nm时，降低了270℃,当金纳米粒子尺寸为2 nm时，熔点 仅为327℃;银的常规熔点为961℃，而超微银颗粒的熔点可低于100℃等。（2)比热增大。粒径越小，比热越大.（3)化学活性增加，有利于催化反应等。 1.1。4宏观量子隧道效应 微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。近年来,人们发现一些宏观量，如超微 粒的磁化强度和量子相干器件中的磁通量等也具有隧道效应，称为宏观量子隧道效应，利 用它可以解释纳米镍粒子在低温下继续保持超顺磁性的现象。宏观量子隧道效应的研究对 基础研究及实用都具有重要的意义,它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限，是未来 微电子器件的基础. 上述的小尺寸效应、表面界面效应、量子尺寸效应及量子隧道效应都是纳米微粒与 纳米固体的基本特性。它使纳米微粒和纳米固体呈现许多奇异的物理、化学性质，出现一 些“反常现象”。例如金属纳米材料的电阻随尺寸下降而增大，电阻温度系数下降甚至变 成负值；相反,原是绝缘体的氧化物达到纳米级时，电阻反而下降;10nm-25nm的铁磁金属
纳米材料的小尺寸效应
纳米材料的小尺寸效应 吴顺康四川大学生命科学学院 2016 级生命科学拔尖班 小尺寸现象产生的原因： 纳米粒子的特性当粒子的尺寸进入纳米量级时，微粒内包含的原子数仅为 100?10000 个，其中有 50 ％左右为界原子，纳米微粒的微小尺寸和高比例的表面原子数导致了它的量子尺寸效应和其他一些特殊的物理性质。 小尺寸效应导致的性质（以及部分应用） 由于纳米微粒的尺寸比可见光的波长还小，光在纳米材料中传播的周期性被破坏，其光学性质就会呈现与普通材料不同的情形。例如，金属由于光反射显现各种颜色，而金属纳米微粒都呈黑色，说明它们对光的均匀吸收性、吸收峰的位置和峰的半高宽都与粒子半径的倒数有关。⑵利用这一性质，可以通过控制颗粒尺寸制造出具有一定频宽的微波吸收纳米材 料，可用于磁波屏蔽、隐形飞机等。⑴此外，金属超微颗粒的光反射率极低，可低于1%, 大约几毫米就可以完全消光。可以利用此特性，高效持续的将太阳能转化为热能和电能。 在物质超细微化之后，纳米材料的熔点显著降低，犹在颗粒直径为 10 纳米时较为明显，例如金（Au）常规熔点在1064度；然而在颗粒尺寸减少到 2纳米时仅为327度；由此，超细银粉制成的导电浆料可以进行低温烧结，此时的基片可以仅仅使用塑胶而不是高温陶瓷。使用超细银粉，可以使膜厚均匀，覆盖面积大，省料而质量高。 纳米小尺寸效应的应用： 纳米材料作为功能材料与产业技术的结合，具有很多潜在的应用价值。小尺寸超微颗粒的磁性与大尺寸材料显著不同，在颗粒尺寸下降到 0.02 微米以下之后，其矫顽力可增加 1000 倍，若进一步
减小尺寸，其矫顽力反而可以降到0，呈现出超顺磁性。利用超顺磁性颗粒的
大直径桩考虑尺寸效应系数的原因
大直径桩考虑尺寸效应系数的原因 近日,提出一个问题：“桩基规范在计算大直径桩承载力时需考虑桩侧阻力尺寸效应系数(＜1的系数),但计算嵌岩桩时没有区分大直径桩,没有考虑桩侧阻力尺寸效应系数,是否 有点儿前后不对应呢？” 为了解释这个问题,我们先了解下规范是如何规定的,《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008对于大直径桩单桩极 限承载力标准值是这样规定的： 5.3.6根据土的物理指标与承载力参数之间的经验关系,确定大直径桩单桩极限承载力标准值时,可按下式计算： ——桩侧第i层土极限侧阻力标准值,如无当地式中q sik 经验值时,可按本规范表5.3.5-1取值,对于扩底桩变截面以上2d长度范围不计侧阻力； ——桩径为800mm的极限端阻力标准值,对于干作业q pk 挖孔（清底干净）可采用深层载荷板试验确定；当不能进行 深层载荷板试验时,可按表5.3.6-1取值； 、——大直径桩侧阻、端阻尺寸效应系数,按表 5.3.6-2取
值. 而对于嵌岩桩却没有尺寸效应系数： 5.3.9桩端置于完整、较完整基岩的嵌岩桩单桩竖向极限承载力,由桩周土总极限侧阻力和嵌岩段总极限阻力组成.当根据岩石单轴抗压强度确定单桩竖向极限承载力标准值时,可按下列公式计算： 式中Q sk 、Q rk ——分别为土的总极限侧阻力、嵌岩段总 极限阻力； q sik ——桩周第i层土的极限侧阻力,无当地经验时,可根据成桩工艺按本规范表5.3.5-1取值； f rk ——岩石饱和单轴抗压强度标准值,黏土岩取天然湿度单轴抗压强度标准值； ——嵌岩段侧阻和端阻综合系数,与嵌岩深径比h r /d、岩石软硬程度和成桩工艺有关,可按表5.3.9采用；表中数值
量子尺寸效应
1.1.1量子尺寸效应 所谓的量子尺寸效应是指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的现象，纳米半导体粒子存在不连续的最高被占据的分子轨道 和最低未被占据的分子轨道能级，能隙变宽，由此导致纳米微粒的光、电、磁、热、 催化和超导性等特性与宏观性存在着显著的差异。如金属纳米材料的电阻随着尺寸下 降而增大，电阻温度系数下降甚至变成负值；相反，原是绝缘体的氧化物达到纳米级时，电阻反而下降；10～25nm的铁磁金属微粒矫顽力比同种宏观材料大1000倍，而当颗粒尺寸小于10nm时矫顽力变为零，表现为超顺磁性。 1.1.2小尺寸效应 当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏；非晶态纳米微粒 的颗粒表面层附近原子密度减小，导致声、光、电、滋、热、力学等特性呈现新的小 尺寸效应。例如：光吸收显著增加，吸收峰的等离子共振频移，磁有序态向磁无序态 转变，超导相向正常相的转变，声子谱发生改变等，这种现象称为小尺寸效应。 1.1.3表面与界面效应 纳米材料的另一个重要特性是表面与界面效应。由于表面原子与内部原子所处的环境不同，当粒子直径比原子直径大时(如大于0.01时)，表面原子可以忽略，但当 粒子直径逐渐接近原子直径时，表面原子的数目及作用就不能忽略，而且这时粒子的 比表面积、表面能和表面结合能都发生很大变化。人们把由此引起的种种特殊效应统 称表面效应[8,9]。随着粒径的减小，比表面迅速增大。当粒径为5nm时，表面原子数比例达到约50%以上，当粒径为2nm时，表面原子数达到80%，原子几乎全部集中 到纳米粒子的表面。庞大的表面原子的存在导致键态严重失配，表面出现非化学平衡、非整数配位的化学键，产生许多活性中心，从而导致纳米微粒的化学活性大大增强， 主要表现在：（1）熔点降低。就熔点来说，纳米颗粒中由于每一粒子组成原子少，表面原子处于不安定状态，使其表面晶格震动的振幅较大，所以具有较高的表面能量， 造成超微粒子特有的热性质，也就是造成熔点下降，同时纳米粉末将比传统粉末容易 在较低温度烧结，而成为良好的烧结促进材料。如金的常规熔点是1064℃当颗粒尺寸减小到10nm时，降低了270℃，当金纳米粒子尺寸为2 nm时，熔点仅为327℃；银的常规熔点为961℃，而超微银颗粒的熔点可低于100℃等。（2）比热增大。粒径越小，比热越大。（3）化学活性增加，有利于催化反应等。 1.1.4宏观量子隧道效应 微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。近年来，人们发现一些宏观量，如超微粒的磁化强度和量子相干器件中的磁通量等也具有隧道效应，称为宏观量子隧
纳米材料小尺寸效应的应用
纳米材料小尺寸效应的应用 引言：提起“纳米”这个词，可能很多人都听说过，但什么是纳米，什么是纳米材料，可能很多人并不一定清楚，本文主要对纳米及纳米材料的研究现状和发展前景做了简介，相信随着科学技术的发展，会有越来越多的纳米材料走进人们的生活，为人类造福。纳米技术具有极大的理论和应用价值，纳米材料被誉为“21世纪最有前途的材料”。 关键词：纳米材料小尺寸效应性质分类发展前景 一、纳米材料及其性质 纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料，这大约相当于10~100个原子紧密排列在一起的尺度。从尺寸大小来说，通常产生物理化学性质显著变化的细小微粒的尺寸在０.１微米以下，即１００纳米以下。因此，颗粒尺寸在１～１００纳米的微粒称为超微粒材料，也是一种纳米材料。粒度分布均匀、纯度高、极好分散，其比表面高，具有耐高温的惰性，高活性，属活性氧化铝；多孔性；硬度高、尺寸稳定性好，具有较强的表面酸性和一定的表面碱性，被广泛应用作催化剂和催化剂载体等新的绿色化学材料。可广泛应用于各种塑料、橡胶、陶瓷、耐火材料等产品的补强增韧，特别是提高陶瓷的致密性、光洁度、冷热疲劳性、断裂韧性、抗蠕变性能和高分子材料产品的耐磨性能尤为显著。以上这些性能决定了纳米材料在表面效应、小尺寸、量子尺寸效应、量子隧道效应、电子信息领域、航天航空、环保能源等各方面均有应用，尤其是在小尺寸方面的应用。 二、纳米科技的发展现状 著名科学家钱学森指出:“纳米科技是21世纪科技发展的重点，会是一次技术革命，而且还会是一次产业革命”。随着世界发达国家对纳米研究的深入，我国对纳米材料和技术也非常重视，为推动我国纳米技术成果产业化．国家通过财政投资并带动社会投资．希望通过5—10年的努力．造就一批具有市场竞争力的纳米高科技骨干企业。已先后安排了许多纳米科技的研究项目，并取得显著成绩，纳米技术在许多方面已达到国际领先水平。
量子力学原理及其应用
量子力学原理及其应用 师燕光电8班2012059080029 量子力学是近代自然科学的最重要的成就之一.在量子力学的世界里，一个 量子微观体系的状态是由一个波函数来描述的,而非由粒子的位置和动量描述， 这就是它与经典力学最根本的区别。这是被爱因斯坦和玻尔用“上帝跟宇宙玩掷骰子”来形容的学科，也是研究“极度微观领域物质”的物理学分支，它带来了许许多多令人震惊不已的结论——例如科学家们发现，电子的行为同时带有波和粒子的双重特征（波粒二象性），但仅仅是加入了人类的观察活动，就足以立刻改变它们的特性；此外还有相隔千里的粒子可以瞬间联系（量子纠缠）：不确定的光子可以同时去向两个方向（海森堡测不准原理）；更别提那只理论假设的猫既死了又活着（薛定谔的猫）?? 诸如以上，这些研究结果往往是颠覆性的，因为它们基本与人们习惯的逻辑思维相违背。以至于爱因斯坦不得不感叹道：“量子力学越是取得成功，它自身就越显得荒诞。” 直到现在，与一个世纪之前人类刚刚涉足量子领域的时候相比，爱因斯坦的观点似乎得到了更为广泛的共鸣。量子力学越是在数理上不断得到完美评分，就越显得我们的本能直觉竟是如此粗陋不堪。人们不得不承认，虽然它依然看起来奇异而陌生，但量子力学在过去的一百年里，已经为人类带来了太多革命性的发明创造。正像詹姆斯·卡卡廖斯在《量子力学的奇妙故事》一书引言中的所述：“量子力学在哪？你不正沉浸于其中吗。” 一、量子计算机 量子力学的海森堡测不准原理决定了粒子的位置和动量是不能同时确定的( )。当计算机芯片的密度很大时（即很小）将导致很大, 电子不再被束缚, 产生 量子干涉效应，而这种干涉效应会完全破坏芯片的功能。为了克服量子力学对计算机发展的限制,计算机的发展方向必然和量子力学相结合，这样不仅可以越过 量子力学的障碍,而且可以开辟新的方向。量子计算机就是以量子力学原理直接 进行计算的计算机.保罗·贝尼奥夫在1981 年第一次提出了制造量子计算机的理论。量子计算机的存储和读写头都以量子态存在的，这意味着存储符号可以是0、1 以及它们的叠加。 近年来的种种试验表明，量子计算机的计算和分析能力都超越了经典计算机。它具有如此优越的性质正在于它的存储读取方式量子化。对量子计算机的原理分析可知，以下两个个特性是令量子计算机优越性的根源所在：存储量大，速度高；可以实现量子平行态。 随着现代科学技术的发展，量子计算机也会逐渐走向现实研制和现实运用。量子计算机不但于未来的计算机产业的发展紧密相关,更重要的是它与国家的保密、电子银行、军事和通讯等重要领域密切相关。实现量子计算机是21 世纪科学技术的最重要的目标之一。 二、晶体管 美国《探索》杂志在线版给出的真实世界中量子力学的一大应用，就是人们早已不陌生的晶体管。1945 年的秋天，美国军方成功地制造出世界上第一台真空管计算机ENIAC。据当时的记载，这台庞然大物总重量超过30 吨，占地面积接近一个小型住宅，总花费高达100 万美元。如此巨额的投入，注定了真空管这种
(完整版)纳米材料四大效应及相关解释
纳米材料四大效应及相关解释 四大效应基本释义及内容： 量子尺寸效应：是指当粒子尺寸下降到某一数值时，费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级或者能隙变宽的现象。当能级的变化程度大于热能、光能、电磁能的变化时，导致了纳米微粒磁、光、声、热、电及超导特性与常规材料有显著的不同。 小尺寸效应：当颗粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏，非晶态纳米粒子的颗粒表面层附近的原子密度减少，导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现新的物理性质的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒而言，尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加，从而产生如下一系列新奇的性质。 表面效应：球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积（表面积/体积）与直径成反比。随着颗粒直径的变小，比表面积将会显著地增加，颗粒表面原子数相对增多，从而使这些表面原子具有很高的活性且极不稳定，致使颗粒表现出不一样的特性，这就是表面效应。 宏观量子隧道效应：当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒。近年来，人们发现一些宏观量，例如微颗粒的磁化强度，量子相干器件中的磁通量等亦有隧道效应，称为宏观的量子隧道效应。 四大效应相关解释及应用： 表面效应 球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积(表面积/体积)与直径成反比。随着颗粒直径的变小比表面积将会显著地增加。例如粒径为10nm时，比表面积为90m2/g；粒径为5nm时，比表面积为180m2/g；粒径下降到2nm时，比表面积猛增到450m2/g。粒子直径减小到纳米级，不仅引起表面原子数的迅速增加，而且纳米粒子的表面积、表面能都会迅速增加。这主要是因为处于表面的原子数较多，表面原子的晶场环境和结合能与内部原子不同所引起的。表面原子周围缺少相邻的原子，有许多悬空键，具有不饱
量子阱中的激子效应及其应用
量子阱中的激子效应及其应用 摘要 人们对半导体中的电子空穴对在库仑作用下形成的激子态及其有关的物理性质进行了深入研究。在量子化的低维电子结构中，激子束缚能要大得多，激子效应增强，也更稳定。这对制作利用激子效应的光电子器件非常有利。近年来量子阱、量子点等低维结构研究获得飞速的进展，已大大促进了激子效应在新型半 导体光源和半导体非线性光电子器件领域的应用。 关键词半导体，激子，量子阱，自电光效应 ABSTRACT The excitons in semiconductors formed by electron-hole pairs bound by Coulombic interaction have beenwell investigated. In quantized electronic low-dmi ensional structures the excitons have much larger binding energies than in bulkmaterials, showing strongerexcitonic effects and beingmore stable athigh temper-atures or under high electric field conditions. The progress obtained recently in investigations on quantum wells,quantumdotsand other low-dmi ensionalstructureshave greatlypromoted the ionsofexciton ic effects in many new sem iconductor light sources and non-linear opto-electronic devices. Key words Semiconductor;Exciton;Quantum well;SEED 1.引言 目前，世界各主要发达国家都已纷纷致力于信息高速公路的建设。如今依然在大规模使用的传统的电子器件已经不能很好的满足信息高速传输的要求。 人们迫切需要研制出新的器件，打造未来信息高速公路。本文着重介绍了半导体中的一种特殊的束缚态——激子的形成及其特性，并对利用激子效应制作的各种量子器件在未来光通信中的应用进行了探讨。 2.激子形成及其特性 激子是固体中的一种基本的元激发，是由库仑互作用互相束缚着的电子—空穴对。半导体吸收一个光子后，电子由价带跃迁至导带，但是电子由于库仑作用仍然和价带中的空穴联系再一起，从而形成了一种束缚态——激子。 激子在研究绝缘体和半导体的物理问题和光电性质时具有重要的意义。早在20世纪30年代，科学家就对激子开始了研究。在固体物理的研究发展史中，布洛赫首先用单电作为独立运动的量子来描述解释固体的导电性。1931年，前
量子理论的发展
§6 量子理论的发展 背景 玻尔理论成功地解释了原子的稳定性及氢原子光谱的规律性。为人们认识微观世界和建立近代量子理论打下了基础。 但玻尔理论是经典与量子的混合物，存在着许多不协调。如它既保留了经典的确定性轨道，又假定量子化条件来限制电子的运动。它不能解释稍微复杂的问题，正是这些困难，迎来了物理学的大革命。 1．量子力学：研究微观粒子运动的基本理论，它和相对论构成近代物理学的两大支柱。2．线索: 德布罗意→薛定谔→薛定谔波动方程 海森堡→波恩，提出矩阵力学→→→→量子力学 3．代表人物: 玻尔、泡利、索末菲、海森堡、G·P·汤姆逊、戴维森、等 一德布罗意波的提出 1．德布罗意(Louis Victorde Broglie,1892～1989) 法国物理学家。1892年8月15日生于下塞纳的迪耶普。出身贵族。1910年获巴黎大学文学学士学位，1913年获理学硕士学位。第一次世界大战期间，在埃菲尔铁塔上的军用无线电报站服役。战后一方面参与他哥哥的物理实验工作，一方面拜朗之万为师，研究与量子有关的理论物理问题，攻读博士学位。 1923年9～10月间，连续在《法国科学院通报》上发表三篇短文：《辐射─波和量子》、《光学─光量子、衍射和干涉》、《物理学─量子、气体动理论及费马原理》，在1924年通过的博士论文《量子论研究》中提出了德布罗意波（相波）理论。1927年由美国贝尔实验室的戴维孙(C．J．Davisson)、革未(L．H．Germer)及英国的汤姆孙(G．P．Thomson)通过电子衍射实验证实，1929年获诺贝尔物理学奖，成为第一个以学位论文获得诺贝尔奖金的学者。1932年任巴黎大学物理教授，1933年被选为法国科学院院士。1942年任该院常任秘书，1962年退休，1987年3月去世，享年95岁。主要著作有：《波动力学导论》，《物质和光：新物理学》，《物理学中的革命》，《海森伯不确定关系和波动力学的概率诠释》等。 2．思维过程 德布罗意是爱因斯坦光量子假说的追随者，但他深感爱因斯坦地光量子理论并没有使从牛顿-惠更斯时代起就存在的光的微粒说和波动说的分歧得到解决，只不过是使光的微粒说又重新抬头而已。 因此他战后重新开始理论物理学的研究时，就把自己工作的重点放在用统一的理论描述光的行为，即想给光量子假说再披上一件波动的外衣，同时希望能把这一结论推广到实物粒子上。 德布罗意在获得诺贝尔奖的演讲《电子的波动性》中说：人们无法理解，为什么对于光来说，需要两种相互矛盾的学说，即波动说和微粒说。为什么原子中的电子只有可能进行某些运动，而按经典概念它应当有无穷多的运动。…… 当我开始思考这些困难时，主要有两个问题吸引着我。第一个问题是，不能认为光量子理论是令人满意的，因为它是用ω=hν这个关系式来确定光微粒的能量，其中包含着频率ν。可是纯粹的粒子理论不包含任何定义频率的因素。对于光来说，单是这个理由就需要同时引进粒子的概念和周期的概念。另一个问题是，确定原子中电子的稳定运动涉及到整数，而至今物理学中涉及整数的只有干涉现象和本征振动现象。这使我想到，不能用简单的微粒来描述电子本身，而应当赋予它们以周期的概念。
钢疲劳极限的-缺口尺寸效应(翻译一)
钢疲劳极限的缺口尺寸效应 摘要 在这篇论文中，表面有沟槽的试样的疲劳行为已经被研究过。它显示有两种与槽口相关的尺寸效应：统计的尺寸效应和几何的尺寸效应。统计的尺寸效应是基于试样在变应力区域的起始裂纹的最大深度的分布而计算的，几何尺寸效应则是依靠应力梯度并且能够在线弹性力学的帮助下被估计。在钝的刻痕上的尺寸效应可以用着两种要素来解释。当裂纹变更剧烈时，在特定的极限之后，张力的塑形部分的大小开始在疲劳裂纹开裂上起重要作用，并且它的疲劳极限低于统计和几何尺寸效应的预测。另外的估算方法可以被用在那种缺口。 1.介绍 被用在机器上的大多数部件都有缺口，例如肩部和小孔。这种样本的疲劳极限高于缺口根部的最大应力,并将显示。已经进行了很多尝试评估这一现象,这被称为缺口尺寸效应。它的目的在于建立一个方程式，一些常用的方法在参考【1】中，刻痕尺寸效应的大小取决于材料，这可以用那种被称作材料的缺口灵敏度来解释。现如今用来描述这种现象的公式包括材料因素，但是没有物理背景的公式来描述这一现象。当应用与不同的材料时，所有的公式显示出相当大的分散。 这篇论文的目的是来显示缺口尺寸效应可以用这两种因素来解释：统计尺寸效应和一种被称作几何尺寸效应的应力梯度的影响。统计尺寸效应可以进行如下描述：当一个组件遭受交变载荷时，在它的体积上将产生大量微裂隙，样本越大，起始裂缝也就越大。因此，对
于大样本来说，更有可能出现大的起始裂纹和更小的疲劳极限。Makkonen [1,2]显示平板尺寸效应仅由统计尺寸效应引起。几何尺寸效应得到切口试样的图片，在细槽、肩部和其他间断点的附近的应力分布变成非线性并且出现一个高的应力峰值。应力梯度在小并成某种形状的试样上变得更加陡峭，如果同样大小的裂缝出现在应力峰值区域，在裂缝上的应力强度因子高于大尺寸试样。这篇论文的另外的一个目的是展示一种通过比较裂纹发起的两种情况：实际峰值应力分布和线性压力来估算几何尺寸效应的方法。 2.统计方法 专业术语 a0 initated crack depth 起始裂纹深度 a crack depth 裂纹深度 c crack length 裂纹长度 d diameter 直径 d n notch depth 缺口深度 e constant 常量 f(x) probability density function 概率密度函数 fXn:n(x) probability density function of the maximum value of sample 样本最大值的概率密度函数 k g geometric size factor 几何尺寸因子 l0 material constant 材料常数 n sample size 样本尺寸 n cyclic hardening exponent 循环硬化指数 r radius 半径 sx standard deviation of a random variable 随机变量的标准偏差 x random variable, co-ordinate 随机变量坐标 x m mean value of a random variable 随机变量平均值 y co-ordinate y坐标 z co-ordinate z坐标 A surface area 表面积 Ai surface area of i th part of the surface 表面部分表面积 A eff effective stress area 有效压力区域 D diameter 直径
(赵国藩)尺寸效应
混凝土作为一种脆性工程材料表现出了明显的尺寸效应(size Effect)。准确地说，它的混凝土尺寸效应现象表现在两个方面：一是试件尺寸对确定参数的影响，二是在进行数值模拟时，数值计算得到的结果显著的依赖于有限元网格尺寸大小。例如混凝土梁的弯曲强度随梁高度的增加而降低。L’Herrnite的研究则表明，由三点弯曲梁测得的混凝土平均抗拉强度随试件体积的增加而降低。Kadlecek等指出，由三点弯曲梁和四点弯曲梁试验、计算所得的混凝土平均抗拉强度与直接拉伸试件所得混凝土抗拉强度值有显著差别。Bazant等对混凝土缺口梁的试验研究表明，名义抗拉强度和抗剪强度对试件尺寸有明显的依赖性。上述研究实质上表明：1.由弹性分析或极限分析反映的水泥基复合材料的抗拉强度是试件体积和结构内部应力场的函数。这种试件尺寸效应与结构内部原始缺陷有一定的关系。也就是说材料内部的原始缺陷数量是材料体积的函数，原始缺陷在结构中的拓朴分布必定与施加于这些微缺陷的应力场有关。文献[17]的研究指出：这种试件尺寸效应可以用初始损伤发展的概率方法来分析。2.由混凝土缺口试件测得的混凝土断裂韧度有明显的尺寸效应，试件的破坏往往是断裂过程区中微裂缝发展的结果。断裂过程区的大小往往与材料中骨料粒径大小有直接关系，对于混凝土I型断裂而言，断裂过程区的宽度是最大骨料粒径D max的3倍，而其长度约是D max的5至6倍。然而断裂过程区的体积并不随结构的尺寸变化。因而对尺寸较小的试件来说，在断裂过程区和结构的其余部分之间进行的应力和能量重分布是非常重要的。而对于大试件来说，由于断裂过程区的大小与试件尺寸相比可忽略不计，其损伤可视为集中在裂缝尖端的一个相对小的区域。这种试件尺寸效应与结构破坏前的损伤发展有关而与材料中原始缺陷无关。上述两个方面实则指出了两种类型的试件尺寸效应现象，一种与结构的原始缺陷的数量和分布有关，一种与结构在应力作用下的损伤发展有关。对于有缺口试件而言，预制切口可视为结构内部的最大原始缺陷。 对混凝土这种典型的非均质材料来说，对其力学行为的模拟往往有两种方法：一种是视混凝土为均质材料，采用连续介质力学方法。定义局部应变和应力，利用一种适当的方法来分析当材料受荷时，应力和应变的变化。另一种是不再认为混凝土为均质材料，而认为其组份是随机分布，运用概率的方法来研究混凝土的力学行为，这就是通常所说的随机方法(Stochastic Approach)。已有许多学者运用这种随机方法建立了许多混凝土分析模型。
石墨烯表面性质的尺寸效应研究
石墨烯表面性质的尺寸效应研究获得 新发现 当颗粒的尺寸进入纳米尺度后，纳米材料所具有的宏观块材所不具备奇异或反常的物理、化学特性，一般称为小尺寸效应。如半导体量子点随尺寸的变化而呈现出不同的颜色。目前精确地确定量子点中每个组分原子的位置还十分困难，所以还不能定量的建立量子点中结构与性质的关系。近几年来，研究人员发现，某些金属二维膜可以精确的控制其厚度，精度可以达到单原子层。他们还在这些形貌精确可控的膜中发现一系列有趣的性质，如超导温度、表面的化学反应特性随单原子层厚度变化出现振荡现象。由于这些金属膜只能在极低温度下稳定存在，大大限制了其广泛应用的前景。 石墨烯是2004年实验证实可以在室温以上稳定存在的单原子层厚度的二维理想材料，层与层之间以较弱的范德瓦尔斯力结合。一般认为这种较弱的力对其性质的影响不会很大，但是实验惊讶的发现：单层与双层石墨烯之间量子霍尔平台填充因子不同，呈现出奇异量子霍尔效应想象。那么，石墨烯的其他性质是否也会随着其厚度（层数）变化而呈现出不同呢？ 国家纳米科学中心孙连峰研究员及其合作者发现，当金蒸镀到不同层数的石墨烯上后，金膜的形貌与石墨烯的层数密切相关。通过一系列实验，他们提出，金在不同层数的石墨烯表面扩散系数及扩散势垒与层数密切相关，并计算出扩散势垒以及与层数的关系。而扩散势垒不同的原因可以归因于量子尺寸效应。同时，他们发现可以通过金膜的形貌辨别石墨烯的层数，与通常基于拉曼谱方法相比，具有空间分辨率高的优点，而且金膜可以通过热处理方法去掉。与基于AFM办法，速度快简便。这种通过金膜形貌方法识别层数的方法，对不同层数的石墨烯夹杂在一起的情形，具有特别的优点，而这也是传统拉曼和原子力显微镜的缺陷所在。 该项工作对于开展金属-石墨烯及其器件研究具有重要的指导意义，相关研究成果已经发表在著名期刊《美国化学会志》(JACS 132, 944(2010))上。并被Chemical &Engineering News以Gilded Graphene为题给予了报道。 上述研究工作得到国家自然科学基金委、科技部以及科学院项目的支持。 图片说明：左图从左到右为四层、衬底、双层石墨烯上的金膜形貌图。右图从左到右为衬底、纳米级的双层、单层石墨烯上的金膜形貌图。图中标记的红圈表示石墨烯上可能存在的污染物或缺陷。通过光学显微镜或拉曼很难发现右图中的双层石墨烯，而利用本文电镜的方法却能很清晰、容易地鉴定出来。