量子尺寸效應(yīng)

當(dāng)粒子尺寸下降到某一值時，金屬費米能級附近的電子能級由準連續(xù)變?yōu)殡x散能級的現(xiàn)象和納米半導(dǎo)體微粒存在不連續(xù)的最高被占據(jù)分子軌道和最低未被占據(jù)的分子軌道能級，能隙變寬現(xiàn)象均稱為量子尺寸效應(yīng)。早在20世紀60年代，久保（Kubo）采用一電子模型求得金屬納米晶粒的能級間距δ為：δ=4Ef/3N

式中：Ef為費米勢能，N為粒子中的總電子數(shù)。該式指出能級的平均間距與組成粒子中的自由電子總數(shù)成反比。能帶理論表明，金屬費米能級附近電子能級一般是連續(xù)的，這一點只有在高溫或宏觀尺寸情況下才成立。對于只有有限個導(dǎo)電電子的超微粒子來說，低溫下能級是離散的，對于宏觀物質(zhì)包含無限個原子（即導(dǎo)電電子數(shù)N→∞），由上式可得能級間距δ→0，即

根據(jù)金屬能帶單電子近似理論，對于三維情況，若將電子看成是完全自由的，則能帶密度N(E)正比于體積V。一般情況下由于體積V很大，能帶密度N(E)很高，故可以認為導(dǎo)帶電子，所以說是費米能級附近的電子能級發(fā)生分裂。2100433B

英文名稱：The quantum size effect

量子尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)及量子隧道效應(yīng)都是納米微粒與納米固體的基本特性。除此之外，納米材料還有在此基礎(chǔ)上的介電限域效應(yīng)、表面缺陷、量子隧穿等。這些特性使納米微粒和納米固體表現(xiàn)出許多奇異的物理、化學(xué)性質(zhì)，出現(xiàn)一些“反?，F(xiàn)象”。例如金屬為導(dǎo)體，在低溫時納米金屬微粒由于量子尺寸效應(yīng)會呈現(xiàn)電絕緣性；一般PbTiO₃，BaTiO₃和SrTiO₃等是典型鐵電體，但當(dāng)其尺寸進入納米數(shù)量級就會變成順電體；鐵磁性的物質(zhì)進入納米尺度（～5nm）時，由多疇變成單疇，于是顯示極強順磁效應(yīng)；當(dāng)粒徑為十幾納米的氮化硅微粒組成了納米陶瓷時，已不具有典型共價鍵特征，界面鍵結(jié)構(gòu)出現(xiàn)部分極性，在交流電下電阻很?。换瘜W(xué)惰性極高的金屬鉑制成納米粒子（鉑黑）后，卻成為活性極好的催化劑；金屬由于光反射現(xiàn)象呈現(xiàn)出各種美麗的顏色，而金屬的納米粒子光反射能力顯著降低，通?？傻陀?%，由于小尺寸和表面效應(yīng)使納米粒子對光吸收表現(xiàn)極強能力；由納米粒子組成的納米固體在較寬譜范圍顯示出對光的均勻吸收性，納米復(fù)合多層膜在7～17GHz頻率的吸收峰高達14dB，在10dB水平的吸收頻寬為2GHz；顆粒為6nm的納米Fe晶體的斷裂強度較之多晶Fe提高12倍；納米Cu晶體自擴散是傳統(tǒng)晶體的10¹⁶至10¹⁹倍，是晶界擴散的10³倍；納米金屬Cu的比熱是傳統(tǒng)純Cu的兩倍；納米固體Pd熱膨脹提高一倍；納米Ag晶體作為稀釋致冷機的熱交換器效率較傳統(tǒng)材料高30%；納米磁性金屬的磁化率是普通金屬的20倍，而飽和磁矩是普通金屬的1/2 。2100433B

人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀量，例如微顆粒的磁化強度，量子相干器件中的磁通量等亦有隧道效應(yīng)，稱為宏觀的量子隧道效應(yīng)。早期曾用來解釋納米鎳粒子在低溫繼續(xù)保持超順磁性。來人們發(fā)現(xiàn)Fe－Ni薄膜中疇壁運動速度在低于某一臨界溫度時基本上與溫度無關(guān)。于是，有人提出量子理想的零點震動可以在低溫起著類似熱起伏的效應(yīng)。從而使零溫度附近微顆粒磁化矢量的重取向，保持有限的馳豫時間，即在絕對零度仍然存在非零的磁化反轉(zhuǎn)率。宏觀量子隧道效應(yīng)的研究對基礎(chǔ)研究及實用都有著重要的意義，它限定了磁帶、磁盤進行信息貯存的時間極限。量子尺寸效應(yīng)，隧道效應(yīng)將會是未來電子器件的基礎(chǔ)，或者它確立了現(xiàn)存微電子器件進一步微型化的極限。當(dāng)電子器件進一步細微化時，必須要考慮上述的量子效應(yīng)。

量子隧道效應(yīng)是基本的量子現(xiàn)象之一，即當(dāng)微觀粒子的總能量小于勢壘高度時，該粒子仍能穿越這一勢壘。按經(jīng)典理論，粒子為脫離此能量的勢壘，必須從勢壘的頂部越過。但由于量子力學(xué)中的量子不確定性，時間和能量為一組共軛量。在很短的時間中（即時間很確定），能量可以很不確定，從而使一個粒子看起來像是從“隧道”中穿過了勢壘。在諸如能級的切換，兩個粒子相撞或分離的過程（如在太陽中發(fā)生的僅約1000萬攝氏度的“短核聚變”）中，量子隧道效應(yīng)經(jīng)常發(fā)生 。