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”。

量子霍尔效应

量子霍尔效应，一般被看作是整数量子霍尔效应和分数量子霍尔效应的统称。

整数量子霍尔效应被马普所的德国物理学家冯·克利青发现。他因此=获得1985年诺贝尔物理学奖。[1]分数量子霍尔效应被崔琦、施特默和赫萨德（A. C. Gossard）发现[2]，前两者因此与劳赫林（Robert Betts Laughlin）分享1998年诺贝尔物理学奖。

整数量子霍尔效应最初在高磁场下的二维电子气中被观测到；分数量子霍尔效应通常在迁移率更高的二维电子气下才能被观测到。

重要意义

整数量子霍尔效应：量子化电导e2/h被观测到,为弹道输运(ballistic transport)这一重要概念提供了实验支持。

分数量子霍尔效应：劳赫林与J·K·珍解释了它的起源[3][4]。两人的工作揭示了涡旋(vortex)和准粒子(quasi-particle)在凝聚态物理学中的重要性。

研究前景

整数量子霍尔效应的机制已经基本清楚，而仍有一些科学家，如冯·克利青和纽约州立大学石溪分校的V·J·Goldman，还在做一些分数量子效应的研究。

Graphene中的量子霍尔效应与一般的量子霍尔行为大不相同，称为反常量子霍尔效应(Anomalous Quantum Hall Effect)。

此外，Hirsh[5]、张守晟[6]等提出自旋量子霍尔效应的概念,与之相关的实验正在吸引越来越多的关注。

实际应用：

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

在太阳能电池领域，瞄准下下代太阳能电池的各种构想不断涌现。其中一种设想是在底板上排列细线状的硅（硅纳米线）。包括美国通用电气（General Electric）在内，目前世界各地都在进行开发。

大多数的开发者的开发目的在于通过制成线状减少硅用量从而降低成本，以及利用密布的硅纳米线减少光反射。

与此相比，比利时IMEC的目的则在于利用硅纳米线的量子效应。在2009年11月9日于东京举行的“IMEC Executive Seminar”上，IMEC光伏业务总监Jef Poortmans 介绍了硅纳米线太阳能电池的开发现状。

IMEC的目标是实现在硅底板上形成硅纳米线的太阳能电池。硅底板的带隙为1.1eV，而利用量子效应的硅纳米线为1.7～1.8eV。组合带隙不同的硅底板和硅纳米线，可期待提高效率。Poortmans表示：“如果这一设想能够实现，转换效率将达到约33％”。

目前，IMEC正在尝试试制适于太阳能电池的硅纳米线。要实现1.7～1.8eV的带隙，硅纳米线的直径需要降至2～

4nm。为形成这种极细的硅纳米线，IMEC采用了为制造新一代半导体而开发的EUV曝光。

不过，即使采用EUV曝光和蚀刻，也只能形成直径为40～65nm的硅纳米线。因此，对直径为40～65nm的硅纳米线进行氧化之后，利用HF气体去除氧化部分使其进一步变细。目前，利用这种方法获得了直径为8～25nm左右的硅纳米线。作为其他目标的硅纳米线间距（90nm）和长度（500nm）在EUV曝光和蚀刻时得以实现。

今后将利用EUV曝光和蚀刻将直径减至30nm，然后利用氧化和HF气体将直径减至3nm。获得适用于太阳能电池的直径3nm硅纳米线之后，将进一步确认太阳能电池的特性。