纳米尺寸效应

纳米材料中电子能级分布显著地不同于大块晶体材料中的电子能级分布。在大块晶体中，电子能级准连续分布，形成一个个的晶体能带。金属晶体中电子未填满整个导带，在热扰动下，金属晶体中的电子可以在导带各能级中较自由地运动，因而金属晶体表现为良好的导电及导热性。在纳米材料中，由于至少存在一个维度为纳米尺寸，在这一维尺度中，电子相当于被限制在一个无限深的势阱中，电子能级由准连续分布转变为分立的束缚态能级。能级间距δ决定了金属纳米材料是否表现出不同于大块材料的物理性质。当离散的能级间距δ大于热能、静电能、静磁能、光子能量或超导态的凝聚能时，将导致金属纳米微粒的热、电、磁、光、以及超导电性与宏观物体有显著的不同，呈现出一系列的反常特性，此即为金属纳米微粒的量子尺寸效应。例如，宏观状态下的金属Ag是导电率最高的导体，但粒径d<20nm 的Ag颗粒在1K的低温下却变成了绝缘体；这是由于其能级间距δ变大，低温下的热扰动不足以使电子克服能隙的阻隔而移动，电阻率增大，从而使金属良导体变为绝缘体。

对于半导体而言，在尺寸小于100nm的纳米尺度范围内，半导体纳米微粒随着其粒径的减小也会呈现量子化效应，显现出与常规块体不同的光学和电学性质。常规大块半导体的能级是连续的能级，当颗粒减小时，半导体的载流子被限制在一个小尺寸的势阱中，在此条件下，导带和价带过渡为分立的能级，使半导体的能隙变宽，、吸收光谱阈值向短波方向移动，此即为半导体纳米微粒的量子尺寸效应。与金属导体相比，半导体纳米微粒组成的固体禁带宽度较大，受量子尺寸效应的影响非常明显。

对任何一种材料，都存在一个临界颗粒大小的限制，小于该尺寸的颗粒将表现出量子尺寸效应。除导体变为半导体、绝缘体以外，纳米微粒的比热、磁矩等性质将与其所含电子数目的奇偶性有关，如：含有偶数电子的颗粒具有抗磁性，含有奇数电子的颗粒具有顺磁性（电子自旋磁矩的抵消情况不同）。纳米金属颗粒的电子数一般不易改变，因为当其半径接近10nm时，增加或减少一个电子所做的功（约0.1eV）比室温下的热扰动能值（k B T）要大。当设法改变纳米微粒所含的电子数目时就可以改变其物性，如光谱线的频移、催化活性的大小与其所含原子及电子数目有奇妙的联系，所含电子数目为某些幻数的颗粒能量最小，结构最稳定，等等。

郝建伟,查钢强,介万奇. II-VI族化合物半导体量子结构材料和器件的研究与发展[J].2011第6期87-91。

量子结构材料与器件是近年来光电信息功能材料与器件研制的一个前沿，它的迅速发展是由信息技术等应用需求和材料制备技术发展所决定的。当体系的尺度可以与电子波长相比拟时，就会产生量子效应，由此引发了量子结构材料与器件的发展。此外，随着在纳米精度上的材料与器件的制备作技术的发展，尤其是分子束外延技术(MBE)和金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术被广泛地用于人工半导体微结构制作，实际可控特征尺寸已精确到了生长方向上的单个原子层，这些先进的材料制作技术极大地推动了量子结构材料与器件的发展。

当材料某一维度的尺寸小到可与电子的德布洛意波长或激子玻尔半径相当时，电子和空穴在该方向上的运动受到限制，与体材相比，电子失去该方向上的自由度，这样的体系称为低维体系，由于这些低维体系呈现出量子化的特征，被称为量子结构。图1示意画出了体材料和低维材料的结构及其态密度分布图。低维体系包括2维、1维和0维体系，分别在一个方向、两个方向和三个方向上对电子进行限制，由此衍生出超晶格和量子阱、量子线、量子

点等低维结构。在低维体系中，电子的局域性和相干性增强，宏观固体的准连续能带消失了，出现分立的能带或能级，这使得低维体系的光、热、电、磁等物理性质与体材料不同。许多新奇的物理性质在这些体系中被不断的揭示出来，因此近年来低维体系的研究越来越受到重视。量子尺寸效应(Quantum Size Effect)是指微结构材料的三维尺度中至少有一个与电子的德布罗意波长或激子波尔半径相当时，与体材相比，电子失去该方向上的自由度，电子态呈现量子化分布，表现出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。下面以量子阱结构中CdTe激子特性为例，简单说明量子尺寸效应。图2给出了不同阱宽的CdTe量子阱结构中激子束缚能和激子波尔半径的理论计算结果。可看出随着无限深势阱宽度的减小，量子尺寸效应逐渐明显，激子束缚能增大，激子波尔半径减小。当阱宽小于5nm 时，激子束缚能将大于室温电离能（26meV）。除了激子效应存在明显的量子效应外，半导体的禁带宽度也随着材料的尺寸减小而增大。由于量子效应的引入，量子结构的磁光声热电及超导特性都会受到量子尺寸效应的不同影响。