纳米二氧化钛ppt课件

>100n m
Yes
No
CdSe
<5nm
>100n m
Yes
No
15
量子点
量子点(quantum dot)是准零维(quasi-zero-dimensional)的纳米 材料，由少量的原子所构成。粗略地说，量子点三个维度的尺寸 都在100纳米(nm)以下，外观恰似一极小的点状物，其内部电子 在各方向上的运动都受到局限，所以量子局限效应(quantum confinement effect)特别显著。
1. 提高宽禁带半导体光吸收的方法？ 2. 染料敏化纳晶半导体电极PEC电池的工作原理
3. 高效复合半导体 构成的条件？
1
第四章 纳米半导体与纳米二氧化钛
2
4.1 纳米材料的基本概念
早在1959年，著名的诺贝尔奖金获得者，物理学家 Richard曾经预言，如果我们对物体微小规模上的排 列加以某种控制的话，我们就能使物体具备大量奇 异的特性，材料的性能将会产生丰富的变化。今天 纳米材料的成功合成与蓬勃发展，正式这一预言的 科学印证。
通过减小颗粒的尺寸，某些块体材料上不能进行的反应，有可
能会表现出一定的光催化性能。
14
表4.1 几种半导体的光活性与粒度的关系
反应
H+ + e- →1/2H2 MV2+ + e- → MV+ CO2 +2H+ +2e- → HCOOH
PbSe
<5nm
>100n m
Yes
No
Yes
No
HgSe
<5nm
北京大学校长 林建华
清华大学校长 邱勇
6
纳米材料主要由纳米晶粒和晶粒界面两部分组成。晶粒内部的 微观结构和传统的晶体结构基本一样，只是由于每个晶粒包含 着有限个晶胞，晶格点阵必然会发生一定程度的弹性形变。晶 格内部同样存在着各种各样的点阵缺陷，如缺位，位错、晶格 畸变等。但大量的界面以及各结构单元之间的或强或弱的交互 作用，则对纳米材料的结构、性质起着决定性的控制作用。
9
4.2 半导体超微粒效应
4.2.1 量子尺寸效应 当半导体颗粒的尺寸小到纳米尺度，即光生电子和空穴的波 函数尺寸可与颗粒的物理尺度相比拟时，光生载流子的运动 在三维方向受到量子限域，相对于包含有无数个原子（即导 电电子数N→∞）的块体材料来说，由于纳米颗粒中原子聚 集数有限，即N值很小，随粒径减小，则逐步显示出分子能 级特征，因而大块晶体的准连续能带变成具有分子特性的分 立能级结构，带隙也随之变宽，出现了新的跃迁规律和吸收
当颗粒尺寸降到最低时，费米能级附近的电子能级由准连续 变为离散能级现象。
12
根据有效质量近似原理，用三维量子限阈模型，可以预测纳米 半导体粒子的带隙宽度与粒径间的关系：
第一项：体相半导体的带隙 第二项：光生电子和空穴的限阈能量之和 第三项：电子与空穴的库伦相互作用能量
随R减小，第三项库伦项使Eg向较低能量方向移动，第二项量子县域 能则使Eg向高能方向移动。其结果是：超微粒的带隙能Eg(R)总是大于块 体材料的带隙，即：纳米晶半导体出现光谱兰移的现象。
13
CdS的带隙Eg随粒径的变化
粒径大于100 Å的CdS（带隙 Eg=2.6eV），当粒径减小到26 Å 时，Eg则增加到3.6eV，变为宽 禁带半导体（右图）。应该指出 的是：虽然由于量子尺寸效应， 使半导体的有效带隙变宽，降低 了半导体对可见光的光谱响应， 但宽带隙结构又提高了光生载流 子的能量和反应能力。
纳米材料又可定义为三维空间中至少有一维处于纳米尺寸范围, 并由它们作为基本结构单元组成的材料。
7
纳米材料的三种结构形式
根据量子限域特征，纳米材料可分为： （1）零维量子点：系指三维方向均为量子限域或三维尺度均
为纳米尺寸的材料，如原子团簇，纳米颗粒等。 （2）一维量子线：指空间中有两维处于纳米尺寸的材料，如
光谱带兰移，这种现象称为量子尺寸效应 。
10
分子－团簇－体相材料能级结构的变化
11
Kubo理论
日本科学家久保提出了能级间距和金属颗粒直径的 关系，并给出了著名Kubo公式： δ =EF/3N （δ为能级间距,EF为费米能级,N为总电子数）
宏观物体包含无限个原子(即所含电子个数N )，即大粒子或 宏观物体的能级间距几乎为零；而纳米微粒包含的原子数有 限，N值很小，导致有一定的值，即能级间距发生分裂。
4
所谓纳米材料，是指晶粒尺度介于原子簇和通常所说的尺度大于亚 微米粒子之间的超细材料，其晶粒尺寸一般为1~100nm。
在这个尺度范围内，电子波函数的相关长度与体系的特征尺寸相当， 或者说，固体颗粒的尺度与第一激子的德布洛依半径相当，电子的 波动性在电子输运过程中得到充分的展现。由于体系在维度上的限 制，使固体中电子态、元激发过程及各种相互作用表现出与三维常 规颗粒体系十分不同的效应，相应地，纳晶材料在物理、化学及力 学性质等方面均显示出不同于常规材料的奇异特性。
3
长期以来，科学研究的重点主要集中在对原子、分子等微观 粒子及由大量分子聚集的宏观材料的研究，纳米材料则是介 于原子、分子和固体材料间的过度状态，故纳米材料又可称 为“介观材料”。
当微粒尺寸进入纳米量级时，就从量变到质变，其力学、热 学、电学、磁学和光学性质发生根本性变化。纳米粒子的尺 寸小，表面积大，位于表面的原子占很大比例。表面的原子 具有不饱和的悬挂键，性质很不稳定，这使纳米粒子的活性 大大增加。
1990.7美国召开第一届国际纳米材料科学会议，正式宣布纳米材料 科学为材料科学的一个分支。我国也将其列入“十五”期间的重点 发展学科。
5
万立骏 院士
中国科学技术大学校长 兼任北京分子科学国家实验室（筹）主任、中科院 分子纳米结构与纳米技术重点实验室主任。著名化 学家，长期从事扫描隧道显微学、电化学和表面科 学的交叉科学研究，探索了电化学和纳米科学交叉 研究新方向，致力于纳米材料在能源和环境保护中 的应用研究，取得了突出成绩。
纳米丝，纳米棒，纳米管等。 （3）二维量子阱：空间中有一维处在纳米尺度。如超薄膜，
多层膜及超晶格材料等 。
8ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
纳米材料的三个层次： （1）纳米微粒 （2）纳米固体 （3）纳米组装体系
纳米材料的特点： （1）原子畴尺寸小于100 nm （2）处于晶界环境的原子占很大比例 （3）畴与畴之间存在相互作用