超微结构量子效应的分析介绍

超微结构量子效应

在大块金属样品中，电子的能级分布是连续的。当物质颗粒尺寸极小时，例如电子数目减少到10³～10⁴个时，电子能级则表现为不连续的离散分布。当能级间距大于热能、磁能、静电能、光子能量或者超导态的凝聚能时，相关的物理现象就会表现出量子效应。因此，纳米颗粒的热、电、光、磁以及超导等宏观特性将与大颗粒或一般尺寸的物体有着显著的不同，这种差异即称为量子尺寸效应。

量子尺寸效应对超微粒物理性质有重要影响。由于量子尺寸效应，粒子的熔点均比同样块状的材料低得多，其热导也具有奇异特性。多孔状超微粒子集合体在低温或超低温下的热阻几乎为零。

超微粒结构的量子化效应还表现在隧道效应上。早在20世纪50年代末，日本物理学家江崎玲于奈（1925～ ）和美国物理学家加埃沃（1929～ ）等人就发现，微观粒子具有波动性的基本属性，江崎玲于奈由此发明了隧道二极管，这一发明开创了研究固体隧道效应的新阶段，推动了半导体电子学的大发展。到20世纪80年代末，在研究超微粒物理特性时，又对隧道效应有了惊奇的发现：描述颗粒的一些宏观量，如磁化强度、磁通量等，也显现有隧道效应的特点。有人认为，在0开（－273．15摄氏度）附近，仍然存在非零的磁化反转率。

超微颗粒的新特点还表现在表面活化特性上。纳米微粒的尺寸虽小，在表面及其附近的原子数与内部原子数的比值却比大块物体大得多。例如，颗粒尺寸从10纳米降到1纳米时，表面原子数所占比例将上升为原来的5倍，极大地增加了颗粒的活性。金属纳米粒子会在空气中燃烧，无机材料的纳米粒子会吸附气体并进行反应。表面活性的增加也会使表面电子的自旋构型及电子能谱发生变化，还使纳米微粒具有极强的光吸收能力。

总之，超微颗粒及由超微颗粒组成的纳米固体在光学性质、导电性、机械特性、热学特性、磁学性质、超导电性等方面，都具有与一般大块物体不同的特点。这些奇异性质表明，人们所熟知的基础物理学规律，将有可能在宏观与微观的中介地带有突破性的进展。这一进展将成为微电子学领域的理论基础，为电子技术的发展开辟新的纪元。纳米结构的研究将是一个十分激动人心的领域。