第2讲纳米化学 由于表面原子数的增加、原子配位的不足必然导致纳米结构表面存在许多缺 陷。从化学角度来看,表面原子所处的键合状态或键合环境与内部原子有很 大的差异,常常处于不饱和状态,导致纳米材料具有极高的表面活性,很容 易与其它原子结合。纳米颗粒表现出来的高催化活性和高反应性,纳米粒子 易于团聚等均与此有关 2.3量子尺寸效应 理解量子尺寸效应需要量子力学和固体能带理论知识。原子是由原子核 和核外电子构成的,电子在一定的轨道(或能级)上绕核高速运动。单个原子 的电子能级是离散的,这是微观粒子(电子、质子等)普遍具有的量子化的 特点。而当众多原子聚集到一起形成固体时,原子之间的相互作用导致能级 发生分裂,最后形成能带。大块物质由于含有几乎无限多的原子,其能带基 本上是连续的,这就好象一个圆锥体的麦堆,当你从远处观察时,其边缘线 是一条圆滑的连续曲线,而当你走近时却发现并不是连续的,而是一个个的 麦粒。对于只有有限个原子的纳米颗粒来说,当粒径小到一定程度时,能带 变得不再连续。当能级间距大于热能、磁能、静电能、光子能量或超导态的 凝聚能时,就会出现所谓的量子尺寸效应,导致纳米颗粒的光、电、磁、声、 热等性质与宏观特性有着显著的差异。例如,温度为1K时,直径小于14nm 银纳米颗粒会变成绝缘体 2.4宏观量子隧道效应 电子既具有粒子性又具有波动性,因此存在穿透势垒的隧道效应。近年 来人们发现一些宏观物理量,如微粒的磁化强度、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。宏观量子隧道效应对基础研究 及实用都有重要意义。它限定了磁带、磁盘进行信息贮存的时间极限。量子 尺寸效应、隧道效应将会是未来微电子器件的基础,或者说它确定了现存微 电子器件进一步微型化的极限。第 2 讲 纳米化学 ·301· 由于表面原子数的增加、原子配位的不足必然导致纳米结构表面存在许多缺 陷。从化学角度来看，表面原子所处的键合状态或键合环境与内部原子有很 大的差异，常常处于不饱和状态，导致纳米材料具有极高的表面活性，很容 易与其它原子结合。纳米颗粒表现出来的高催化活性和高反应性，纳米粒子 易于团聚等均与此有关。 2.3 量子尺寸效应 理解量子尺寸效应需要量子力学和固体能带理论知识。原子是由原子核 和核外电子构成的，电子在一定的轨道 (或能级 )上绕核高速运动。单个原子 的电子能级是离散的，这是微观粒子（电子、质子等）普遍具有的量子化的 特点。而当众多原子聚集到一起形成固体时，原子之间的相互作用导致能级 发生分裂，最后形成能带。大块物质由于含有几乎无限多的原子，其能带基 本上是连续的，这就好象一个圆锥体的麦堆，当你从远处观察时，其边缘线 是一条圆滑的连续曲线，而当你走近时却发现并不是连续的，而是一个个的 麦粒。对于只有有限个原子的纳米颗粒来说，当粒径小到一定程度时，能带 变得不再连续。当能级间距大于热能、磁能、静电能、光子能量或超导态的 凝聚能时，就会出现所谓的量子尺寸效应，导致纳米颗粒的光、电、磁、声、 热等性质与宏观特性有着显著的差异。例如，温度为 1Ｋ时，直径小于 14 nm 的银纳米颗粒会变成绝缘体。 2.4 宏观量子隧道效应 电子既具有粒子性又具有波动性，因此存在穿透势垒的隧道效应。近年 来人们发现一些宏观物理量，如微粒的磁化强度、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。宏观量子隧道效应对基础研究 及实用都有重要意义。它限定了磁带、磁盘进行信息贮存的时间极限。量子 尺寸效应、隧道效应将会是未来微电子器件的基础，或者说它确定了现存微 电子器件进一步微型化的极限