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1、我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物3.2 3.2 纳米材料的电学性能纳米材料的电学性能3.2.1 纳米晶金属的电导 纳米晶金属电导的尺寸效应 纳米金属块体材料的电导 纳米金属丝的电导量子化及特征 电导波动及巨电导振荡3.2.2 单电子效应及其应用 单电子效应的基础知识 单电子效应的应用3.2.3 纳米材料的介电性能 介电常数和介电损耗 纳米BaTiO3基材料的介电性能我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个
2、活的生物3.2.13.2.1纳米晶金属的电导纳米晶金属的电导我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物 在在一般电场情况下，金属和半导体的导电均服从一般电场情况下，金属和半导体的导电均服从欧姆定律。欧姆定律。 稳定稳定电流密度电流密度j j与外加电场成正比与外加电场成正比： 式中，式中， 为电导率，单位为为电导率，单位为smsm-1 -1，其倒数为，其倒数为电阻电阻率率 。 纳米晶金属电导的尺寸效应纳米晶金属电导的尺寸效应Ej稳定电流密度的条件:电子在材料内部受到的阻力正好与电场力平衡电子在材料内部受
3、到的阻力正好与电场力平衡我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物电阻与晶体结构的关系电阻与晶体结构的关系 由固体物理可知，在完整晶体中，电子是在周期性势场中运动，电子的稳定状态是布洛赫波描述的状态，这时不存在产生阻力的微观结构。对于不完整晶体，晶体中的杂质、缺陷、晶面等结构上的不完整性以及晶体原子因热振动而偏离平衡位置都会导致电子偏离周期性势场。这种偏离使电子波受到散射，这就是经典理论中阻力的来源。这种阻力可用电阻率 来表示：rL 式中式中， 表示晶格振动散射的影响，与表示晶格振动散射的影响，与温度
4、相关温度相关。 表示杂质与缺陷的影响，表示杂质与缺陷的影响， 与温度无关与温度无关 ，它是温度趋近于绝对零度时的电阻值，它是温度趋近于绝对零度时的电阻值， 称为剩余电阻。杂质、缺陷称为剩余电阻。杂质、缺陷可以改变金属电阻的阻值，但不改变电阻的温度系数可以改变金属电阻的阻值，但不改变电阻的温度系数 。 LrdTd为为什什么么？我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物纳米纳米晶金属电导的尺寸效应晶金属电导的尺寸效应 对于粗晶金属，在杂质含量一定的情况下，由于对于粗晶金属，在杂质含量一定的情况下，由于 晶
5、界的体积分数很小，晶界对于晶界的体积分数很小，晶界对于电子的散射是相对稳定的。因此普通的粗晶和微米晶金属的电导可以认为和晶粒大小无电子的散射是相对稳定的。因此普通的粗晶和微米晶金属的电导可以认为和晶粒大小无关。关。 由于纳米晶材料中含有大量的晶界，且晶界的体积分数随晶粒尺寸的减小而大幅度上升，由于纳米晶材料中含有大量的晶界，且晶界的体积分数随晶粒尺寸的减小而大幅度上升，此时，纳米材料的界面效应对此时，纳米材料的界面效应对剩余电阻剩余电阻的影响是不能忽略的。因此，纳米材料的电导具的影响是不能忽略的。因此，纳米材料的电导具有尺寸效应，特别是晶粒小于某一临界尺寸时，量子限制将使电导量子化（有尺寸效应
6、，特别是晶粒小于某一临界尺寸时，量子限制将使电导量子化（Conductance Conductance Quantization Quantization ）。因此纳米材料的电导将显示出许多不同于普通粗晶材料电导的性能因此纳米材料的电导将显示出许多不同于普通粗晶材料电导的性能，例，例如：如： 纳米晶金属块体材料的电导随着晶粒度的减小而减小纳米晶金属块体材料的电导随着晶粒度的减小而减小。 电阻的温度系数亦随着晶粒的减小而减小，甚至出现负的电阻温度系数。电阻的温度系数亦随着晶粒的减小而减小，甚至出现负的电阻温度系数。 金属纳米丝的电导被量子化，并随着纳米丝直径的减小出现电导台阶、金属纳米丝的电导被
7、量子化，并随着纳米丝直径的减小出现电导台阶、非线性的非线性的 I-V I-V 曲线及电导振荡等粗晶材料所不具有的电导特性。曲线及电导振荡等粗晶材料所不具有的电导特性。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物纳米金属块体材料的电导纳米纳米金属块体材料的电导随着晶粒尺金属块体材料的电导随着晶粒尺寸 的 减 小 而 减 小 而 且 具寸 的 减 小 而 减 小 而 且 具有负的电阻温度系数有负的电阻温度系数，已被实验所证，已被实验所证实。实。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美
8、丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物电阻率与晶粒尺寸和温度的关系电阻率与晶粒尺寸和温度的关系晶粒尺寸和温度对纳米晶粒尺寸和温度对纳米PdPd块体电阻率的影响块体电阻率的影响晶粒越细晶粒越细电阻率越电阻率越高，温度高，温度越高电阻越高电阻率越高。率越高。 左图为左图为GleiterGleiter等人对纳等人对纳米米PdPd块体的比电阻的测量块体的比电阻的测量结果，表明纳米结果，表明纳米PdPd块体的块体的比电阻均高于普通晶粒比电阻均高于普通晶粒PdPd的比电阻，晶粒越细，比的比电阻，晶粒越细，比电阻越高。且电阻率随温电阻越高。且电阻率随温度的上升而增大。度的上
9、升而增大。温度为温度为150K150K时，晶粒尺寸为时，晶粒尺寸为10nm10nm的的PdPd的电阻率比微米级的的电阻率比微米级的粗晶粗晶PdPd电阻率高将近电阻率高将近8 8倍。倍。 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物纳米晶纳米晶PdPd块体的直流电阻块体的直流电阻温度系数和晶粒尺寸的关系温度系数和晶粒尺寸的关系晶粒尺寸晶粒尺寸减小，电减小，电阻温度系阻温度系数降低。数降低。纳米纳米PdPd块体的直流块体的直流电阻温度系数电阻温度系数 左图是左图是GleiterGleiter等人等人测量得到
10、测量得到的的纳米晶纳米晶PdPd块体的直流电阻温块体的直流电阻温度系数与晶粒直径的关系。可度系数与晶粒直径的关系。可知，随着晶粒尺寸的减小，电知，随着晶粒尺寸的减小，电阻温度系数显著下降，当晶粒阻温度系数显著下降，当晶粒尺寸小于某一尺寸小于某一临界值临界值时，电阻时，电阻温 度 系 数 就 可 能 变 为温 度 系 数 就 可 能 变 为 负负值值。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物纳米纳米AgAg块体的电阻温度系数与晶粒尺寸的关系块体的电阻温度系数与晶粒尺寸的关系粒度粒度对电阻的影响对电阻的
11、影响（a a）粒度为）粒度为11nm 11nm （b b）粒度为）粒度为18nm 18nm （c c）粒度为）粒度为20nm20nm 左图是左图是纳米晶纳米晶AgAg块体的组成粒度块体的组成粒度和晶粒度对电阻温度系数的影响。当和晶粒度对电阻温度系数的影响。当AgAg块体的组成粒度小于块体的组成粒度小于18nm18nm时，在时，在5050250K250K的温度范围内电阻温度系数的温度范围内电阻温度系数就由正值变为负值，即电阻随温就由正值变为负值，即电阻随温度的升高而降低度的升高而降低。当当AgAg粒度由粒度由20nm20nm降为降为11nm11nm时，样品的电阻时，样品的电阻发生了发生了1 13
12、 3个数量级的变化。这是由于在临个数量级的变化。这是由于在临界尺寸附近，界尺寸附近，AgAg费米面附近导电电子的能级费米面附近导电电子的能级发生了变化，电子能级由准连续变为离散，发生了变化，电子能级由准连续变为离散，出现能级间隙，量子效应导致电阻急剧上升。出现能级间隙，量子效应导致电阻急剧上升。根据久保理论可计算出根据久保理论可计算出AgAg出现量子效应的临界出现量子效应的临界尺寸为尺寸为20nm20nm。1、电阻温度系数、电阻温度系数由正变负由正变负2、电阻急剧增大、电阻急剧增大我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错
13、：表里边有一个活的生物纳米金属丝的电导量子化及特征纳米金属丝的电导量子化及特征 金纳米丝金纳米丝的电导呈现台阶型的变化，台阶高度为电导量子的电导呈现台阶型的变化，台阶高度为电导量子 7.75105 1 ，电导电导量子量子 可可由测不准原理由测不准原理求得。根据电导定义求得。根据电导定义 ， 为为电位差，电流电位差，电流 为单位为单位时间时间 通过通过的电量的电量 。由于量子限制，对于一个单通由于量子限制，对于一个单通道的道的电荷为电荷为 ，电化学位差电化学位差为为 ，由此可得出：，由此可得出： heG2020GVIGVItQeQ VeEtEeG2根据测不准原则根据测不准原则 ，得到，得到： t
14、EhGhe22式中因子式中因子2 2来自于电子的自旋。因此，每个通道的最大电导不来自于电子的自旋。因此，每个通道的最大电导不能能大于大于 。heG202我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物纳米金属丝电导的测量方法主要包括：纳米金属丝电导的测量方法主要包括：我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物 STM STM方法测量金属丝电导的基本工作原理示意图方法测量金属丝电导的基本工作原理示意图我吓了一跳，蝎子
15、是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物STMSTM测量测量AuAu纳米丝电导纳米丝电导(a) (a) 用用STMSTM形成形成金金纳米颗粒联接及分离过程示意图纳米颗粒联接及分离过程示意图(b) (b) 对应的对应的金纳米丝联接形成及分离金纳米丝联接形成及分离过程中电导呈台阶式变化（过程中电导呈台阶式变化（ T T4.2K4.2K） 图图(a)(a)中上部三个图表示中上部三个图表示STMSTM针尖接近样品针尖接近样品表面过程中形成纳米丝连接，下部三个图表明表面过程中形成纳米丝连接，下部三个图表明针尖分离时同样形成纳
16、米丝。针尖分离时同样形成纳米丝。图中向上箭头及灰色线图中向上箭头及灰色线a a表明形成纳米丝接触表明形成纳米丝接触时电导呈台阶式的上升，向下的箭头及黑线时电导呈台阶式的上升，向下的箭头及黑线b b表表示形成的纳米丝连接分离式电导呈现台阶式的下降，示形成的纳米丝连接分离式电导呈现台阶式的下降，在在 1G1G0 0 附近形成较长的电导平台。附近形成较长的电导平台。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物机械机械可控劈裂结（可控劈裂结（MCBJMCBJ）显微图和整体结构）显微图和整体结构示意图示意图 可可
17、控地分离连接点，即可控制地拉伸金属丝以控地分离连接点，即可控制地拉伸金属丝以形成几个纳米直径的连接区域。形成几个纳米直径的连接区域。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物用用MCBJMCBJ方法制备的金纳米联接和方法制备的金纳米联接和原子联接的原子联接的HRTEMHRTEM照片照片：(a) 100(a) 100方向形成的直径约为方向形成的直径约为1nm1nm的金丝的金丝和单原子连接和单原子连接，(b) 111(b) 111方向形成方向形成的只有一个金原子连接的双的只有一个金原子连接的双“金金字塔字
18、塔”型收缩区型收缩区，(c) 110(c) 110方向形方向形成 的 杆 状 连 接成 的 杆 状 连 接 ， ( d )( d )金纳米丝金纳米丝500500条曲线的台阶分布，条曲线的台阶分布，插图表示样品断裂前的电导曲插图表示样品断裂前的电导曲线，显示出最后一个电导台阶。线，显示出最后一个电导台阶。统计表明，大部分电导分布在统计表明，大部分电导分布在1G01G0附近，少部分分布在附近，少部分分布在1.5-2G01.5-2G0附近附近对于单价金属，单个原子的接触电导接近于对于单价金属，单个原子的接触电导接近于 1G1G0 0，所以图中的电导接近，所以图中的电导接近 1G1G0 0的金的金丝在
19、丝在断裂前均出现上图断裂前均出现上图(a)(a)、(b)(b)的单原子连接过程。的单原子连接过程。断裂前出现单断裂前出现单原子连接原子连接我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物电导平台形成的原因电导平台形成的原因图 (a)中，金原子的突然断裂造成在100方向仅有 1G0 的电导平台，如图(d)插图中的曲线 a 所示。在111方向，有文献报导亦能形成单原子链，但电导亦趋向于从 3G0 到 2G0 到 1G0 连续变化，如图(d)插图中曲线b所示。在110方向，由于形成纳米杆状连接，变形时纳米杆在34
20、个原子厚度的直径时会发生突然的脆性断裂，导致电导曲线没有 1G0，而只有较高次的 2G0 平台，如图(d)中曲线 c 所示。因此，金的电导与塑性变形机制相关。晶体学分析表明，塑性变形时金的滑移面为（111）面，滑移方向为110方向。在纳米金丝中，考虑100和111方向的滑移，则有三个100方向，4个111方向和6个110滑移方向，即共有13个滑移方向。由于在100和111方向断裂前均能产生单原子连接，因此电导分布图中位于 1G0 的电导的几率为（34）/13=54，其中包括由 2G0 到 1G0 的几率 4/13。2G0 电导应出现在110方向上，几率应为 6/1346，但图(d) 的统计分布
21、图表明分布在 2G0 的几率远小于 46。这可能是由于几纳米尺度的金丝的变形机制与块体金有明显的不同而引起的，即几纳米直径的金丝在 1 1 0 易滑移方 向反而易形成突然的脆性断裂。另外，用于统计的曲线太少也会影响统计 的结果。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物STMSTM测量测量AuAu纳米接触点电导纳米接触点电导( (a) a) 在室温下和空气中用在室温下和空气中用STMSTM测量测量Au-AuAu-Au纳米接触点分离过程中电导统计纳米接触点分离过程中电导统计分布分布( (直流电压为直流电
22、压为90.4mV)90.4mV)，插图显示了不同数目的统计样本值，插图显示了不同数目的统计样本值，(b) (b) 在在超真空中用超真空中用STMSTM针尖压入干净金表面所测得的电导台阶分布针尖压入干净金表面所测得的电导台阶分布 图图(a)(a)中中30003000条曲线和条曲线和1200012000条曲线的统计分布结果基本上没有差别，分布在条曲线的统计分布结果基本上没有差别，分布在1G1G0 0处的处的电导几乎是电导几乎是2G2G0 0处的处的2 2倍，且分布在倍，且分布在3G3G0 0和和4G4G0 0的电导亦占一定的比例。图的电导亦占一定的比例。图(b)(b)中中X5X5表示放表示放大了大
23、了5 5倍的分布曲线。电导峰都比较精确地分布在倍的分布曲线。电导峰都比较精确地分布在1G1G0 0、2G2G0 0和和3G3G0 0的位置，且分布在的位置，且分布在 1G1G0 0的几率占绝大部分。的几率占绝大部分。(a)(a)和和(b)(b)都证明纳米金丝单原子分离而断裂的几率很大。都证明纳米金丝单原子分离而断裂的几率很大。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物 研究表明，金属纳米丝电导受很多外界因研究表明，金属纳米丝电导受很多外界因素的影响，例如：素的影响，例如：0GnG 与金相比，其它金属纳
24、米丝的量子化电导现象研究很少，有些实验结与金相比，其它金属纳米丝的量子化电导现象研究很少，有些实验结果也不一致。大多数金属的接触点在分离前最后一个电导的台阶在果也不一致。大多数金属的接触点在分离前最后一个电导的台阶在G G0 0附近，附近，但目前尚不清楚在什么条件下能使量子化的电导为但目前尚不清楚在什么条件下能使量子化的电导为G G0 0的整数倍或半整数倍，的整数倍或半整数倍，即即 或或 （n n为整数）。一种可能的解释是这些金属为整数）。一种可能的解释是这些金属不能形成像金一样在收缩至最后一个原子时被分离。不能形成像金一样在收缩至最后一个原子时被分离。污染，影响电导分布，如在污染，影响电导分
25、布，如在0.5G00.5G0、1.5G01.5G0等处出现峰值。等处出现峰值。电子自旋（电子自旋（主要针对铁磁性过度组主要针对铁磁性过度组金属，金属，NiNi在无外加磁场时，在无外加磁场时，G0=2eG0=2e2 2/h/h，外加饱和磁场时，外加饱和磁场时，G0=eG0=e2 2/h/h）外加电压外加电压外界因素对金属纳米丝电导影响外界因素对金属纳米丝电导影响0nGG 05 . 0 nGG 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物不同量子通道不同量子通道AuAu纳米丝的纳米丝的I-VI-V关系关系具
26、有具有不同量子通道的金纳米丝的电流不同量子通道的金纳米丝的电流- -电压曲线电压曲线当在电接触处形成直径为几个纳米的当在电接触处形成直径为几个纳米的金属丝金属丝能能稳定相当的时间时稳定相当的时间时，就，就可以测定该纳米丝可以测定该纳米丝的的 I-V I-V 曲线。许多研究者发现曲线。许多研究者发现，室温，室温下金在下金在0.10.11V1V 的电压范围内时，的电压范围内时，I-V I-V 曲线具有非线性曲线具有非线性分量。分量。N=6N=6时，曲线也是非线性的，因此非线性分量和时，曲线也是非线性的，因此非线性分量和纳米接触点接触电导无关纳米接触点接触电导无关电流具有立方项，I=g0U+g3U3
27、 g0 、g3分别是电流的线性和非线性系数，电压越高，非线性越显著。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物I-VI-V曲线非线性分量产生原因曲线非线性分量产生原因 然而精确的研究发现，洁净的Au样品在超高真空中和室温下，当电压在0.5V以内时， 曲线几乎是线性关系，只有当样品表面被污染时才出现非线性关系。同时，实验中观察到洁净的金样品在ms级时间内就自动地变化而不稳定，而被污染的样品能稳定长达数小时并能保持电导为1G0 。被污染的样品可能因吸附形成隧穿的势垒，电子隧穿该势垒就可引起 曲线弯曲而造成
28、非线性分量。同时，理论计算亦表明当样品中含有S杂质时，电流的立方项系数 显著增加。因此，可以认为杂质元素或样品被污染造成了 曲线具有非线性分量。然而，要维持样品不受污染，在实际条件下几乎是不可能的，因此， 曲线具有非线性分量是不可避免的。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物电导波动及巨电导振荡LLL 在介观体系中可观察到金属导体的电导波动。在介观体系中可观察到金属导体的电导波动。所谓介观是指空间尺寸介于宏观和微观之间。介观系所谓介观是指空间尺寸介于宏观和微观之间。介观系统电子行为的主要特征是电子
29、通过样品之后仍能保持统电子行为的主要特征是电子通过样品之后仍能保持自己波函数的相位相干性。这就对样品的尺寸和温度自己波函数的相位相干性。这就对样品的尺寸和温度加上了严格的限制。加上了严格的限制。凡是出现量子相干的体系可统称凡是出现量子相干的体系可统称为量子体系。介观范围由为量子体系。介观范围由 来确定来确定，其中其中 为样为样品的尺寸，品的尺寸， 为相干长度。为相干长度。LLL LL不是一个固定值，不同量子效应时，对应不同长度。L我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物AuAu纳米丝直径受脉冲激光照
30、射影响纳米丝直径受脉冲激光照射影响外部环境的改变能强烈的改变直径外部环境的改变能强烈的改变直径为几个为几个nmnm的金丝的电导，引起电导的的金丝的电导，引起电导的激烈振荡。例如，在超高真空和室温激烈振荡。例如，在超高真空和室温下，当电导稳定在时，关门的声音能下，当电导稳定在时，关门的声音能使使电导从电导从3G3G0 0突突降至降至1G1G0 0，而实验时接，而实验时接近超高真空室的振动能使电导从近超高真空室的振动能使电导从22G22G0 0降至降至6G6G0 0。如果用脉冲激光照射微米。如果用脉冲激光照射微米或毫米丝，电导几乎没有变化。但用或毫米丝，电导几乎没有变化。但用脉冲激光照射如左图所示
31、的金丝的纳脉冲激光照射如左图所示的金丝的纳米窄收缩处时，因热效应使收缩处直米窄收缩处时，因热效应使收缩处直径发生变化从而可引起电导的强烈振径发生变化从而可引起电导的强烈振荡荡 ， 如如图所图所示。示。金金丝纳米收缩区的原始尺寸及受丝纳米收缩区的原始尺寸及受脉冲激光脉冲激光照射时收缩区直径的变化照射时收缩区直径的变化我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物 图中实线表示电图中实线表示电导的变化曲线，导的变化曲线，方框虚线表示脉方框虚线表示脉冲激光的照射时冲激光的照射时间和间隙。间和间隙。 受脉冲激光照
32、射后金纳米丝电导的变化受脉冲激光照射后金纳米丝电导的变化 (a) (a) 激光波长激光波长 488nm488nm，能量，能量 E E11110 0J J； (b) (b) 800nm800nm，E E 53530 0J J ； 800nm800nm， E E10100 0J J电导振荡周期：电导由初始值上升至最高值再回到初始值的时间为电导的振荡周期。弛豫时间：激光熄灭后电导从最高值衰减到初始值的时间称做驰豫时间。驰豫时间越短，电导对脉冲激光的响应越快，振幅越大，巨电导效应越明显。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：
33、表里边有一个活的生物脉冲参数决定巨电导效应脉冲参数决定巨电导效应 纳米金丝巨电导的振幅和驰豫时间取决于纳米金丝巨电导的振幅和驰豫时间取决于初始电导初始电导和和激光的脉冲时激光的脉冲时间间及输出的能量。及输出的能量。 较低的初始电导能产生较大的振幅，较低的初始电导能产生较大的振幅，能量适中持续时间约为能量适中持续时间约为2ms2ms的近线性脉冲能产生最大的电导振幅，同的近线性脉冲能产生最大的电导振幅，同时驰豫时间亦短，如图（时驰豫时间亦短，如图（c c）所示，电导变化可达）所示，电导变化可达 80G80G0 0 ，驰豫时间，驰豫时间与激光脉冲时间同步。与激光脉冲时间同步。持续时间大于持续时间大于
34、20ms20ms的脉冲不仅不能使振幅增大，反而会使驰豫时间的脉冲不仅不能使振幅增大，反而会使驰豫时间增长。增长。 因此，因此，为了实现巨电导效应，选择适当的为了实现巨电导效应，选择适当的 脉冲参数非常重要。脉冲参数非常重要。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物产生巨电导效应的主要原因产生巨电导效应的主要原因 产生巨电导振荡的主要原因是金丝窄收缩处在激光照产生巨电导振荡的主要原因是金丝窄收缩处在激光照射时射时受热膨胀，直径增大受热膨胀，直径增大，如前图中虚线所示的直径。脉，如前图中虚线所示的直径。
35、脉冲激光产生的瞬间高温（冲激光产生的瞬间高温（10KT10KT）可使长度为）可使长度为1mm1mm的光照的光照区的长度在区的长度在1 110ns10ns内增加内增加100nm100nm。由于在长度方向上的热。由于在长度方向上的热膨胀受到约束，故热应力使金丝的窄收缩区受到压缩而使膨胀受到约束，故热应力使金丝的窄收缩区受到压缩而使直径增大，从而导致电导的急剧升高。窄收缩区直径变化直径增大，从而导致电导的急剧升高。窄收缩区直径变化的时间与受光照的面积相关，如果光照区的长度为的时间与受光照的面积相关，如果光照区的长度为1mm1mm，直径驰豫时间为直径驰豫时间为msms级；长度为级；长度为1 1 m m
36、，驰豫时间可降至，驰豫时间可降至 s s级。级。因此，调节窄收缩区的长度和直径可改变驰豫时间从而控因此，调节窄收缩区的长度和直径可改变驰豫时间从而控制电导振荡的固有频率和初始电导值。纳米尺寸金属材料制电导振荡的固有频率和初始电导值。纳米尺寸金属材料的这种光的这种光- -电耦合现象可用于设计和制造能在室温下工作电耦合现象可用于设计和制造能在室温下工作的 由 巨 电 导 效 应 控 制 的 纳 米 光的 由 巨 电 导 效 应 控 制 的 纳 米 光 - - 电 晶 体 管 。电 晶 体 管 。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的
37、猜测没有错：表里边有一个活的生物3.2.23.2.2单电子效应及其应用单电子效应及其应用我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物单单电子效应的基础知识电子效应的基础知识 在低维纳米固体结构中，通过在低维纳米固体结构中，通过一定的控制手段，一定的控制手段，比如加偏压、门压等比如加偏压、门压等能操纵电子一个一个地运动，能操纵电子一个一个地运动，这就是单电子效应或单电子现象。这就是单电子效应或单电子现象。这完全不同于这完全不同于在宏观导体内导电过程中转移在宏观导体内导电过程中转移电子的电子的连续性，因连续
38、性，因为电流是由电子云相对于原子晶格的定向偏移形为电流是由电子云相对于原子晶格的定向偏移形成的。成的。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物量子遂穿的定义及描述量子遂穿的定义及描述 单电子效应的主要研究对象是超小隧道结。隧道结是由两个金属单电子效应的主要研究对象是超小隧道结。隧道结是由两个金属电极及夹在其间的绝缘介质构成。与通常的电容相比，隧道结中的绝电极及夹在其间的绝缘介质构成。与通常的电容相比，隧道结中的绝缘介质足够的薄，同时起着势垒的作用。由于电子具有量子属性，所缘介质足够的薄，同时起着势垒
39、的作用。由于电子具有量子属性，所以它能以一定的概率隧穿通过势垒，这一现象称作量子隧穿。若以它能以一定的概率隧穿通过势垒，这一现象称作量子隧穿。若C为为隧道结的电容，那么一个电子在隧穿前后引起隧道结的静电能的变化隧道结的电容，那么一个电子在隧穿前后引起隧道结的静电能的变化与一个电子的库仑能大体相当，即与一个电子的库仑能大体相当，即 ，如果如果隧道隧道结的面积结的面积为为 0.0001m2 ， 绝缘层厚度为绝缘层厚度为1nm，那么将，那么将 拆算成温度，大约为拆算成温度，大约为100K。量子遂穿的概率与势阱的量子遂穿的概率与势阱的深度、壁厚和形状深度、壁厚和形状有关。因此，如有关。因此，如果对纳米
40、尺度材料的表面进行修饰，能通过改变势阱的深度、壁厚、果对纳米尺度材料的表面进行修饰，能通过改变势阱的深度、壁厚、形状来改变其对电子的约束。量子遂穿可以将临近的纳米尺度材料直形状来改变其对电子的约束。量子遂穿可以将临近的纳米尺度材料直接耦合在一起，形成无导线的连接。适当地改变材料的尺寸、界面接耦合在一起，形成无导线的连接。适当地改变材料的尺寸、界面 间距以及外界的电场，可以直接调制材料之间的耦合。间距以及外界的电场，可以直接调制材料之间的耦合。)2(2CeEccE1eV=11600K我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错
41、：表里边有一个活的生物库仑阻塞效应的定义及描述库仑阻塞效应的定义及描述 理想理想恒流源驱动的恒流源驱动的单隧道结在电子隧单隧道结在电子隧穿时两极板电荷的穿时两极板电荷的变化变化 在一隧道结两端加上一恒流电源，构成如在一隧道结两端加上一恒流电源，构成如图所图所示的电路，图中构成隧道示的电路，图中构成隧道结的两电极分别为电容的两极。假设开始时两极板上的电荷分别为结的两电极分别为电容的两极。假设开始时两极板上的电荷分别为 和和 - - 。电子隧穿前，电容器的静电能为电子隧穿前，电容器的静电能为 ，一个电子隧穿后，静电能变，一个电子隧穿后，静电能变为为 。根据热力学第二定律，隧穿必须朝着使体系能量降低
42、的方向。根据热力学第二定律，隧穿必须朝着使体系能量降低的方向进行。因此，只有当体系的自由能变化进行。因此，只有当体系的自由能变化 时隧时隧穿才能发生。由此可得出隧穿的条件为穿才能发生。由此可得出隧穿的条件为 。当。当 时，时， ，静电场封锁了电子通道，隧穿过程不能发生，这就是库仑阻塞效应。当恒流静电场封锁了电子通道，隧穿过程不能发生，这就是库仑阻塞效应。当恒流源对电容开始充电，使电极板的电量由零开始递增，当电量源对电容开始充电，使电极板的电量由零开始递增，当电量达达 时时，便有，便有一一个电子个电子从负极隧穿至正极从负极隧穿至正极。上图显示。上图显示单个电子遂穿前后两个电极上的电荷单个电子遂穿
43、前后两个电极上的电荷量的变化。量的变化。 )2(2CQ)2()(2CeQ0)2()2()(22CQCeQE2eQ 2eQ 0EQQ2e我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物库仑振荡的定义及描述库仑振荡的定义及描述理想恒流源驱理想恒流源驱动的动的单单隧道结隧道结电压随时间的电压随时间的振荡振荡电子隧穿使的极板电压跃变 时，以致原正极的电位从 降至 ，从而阻止了下一个电子的隧穿。但随着电流源对电容器充电的继续，正极的电荷再次增至 ，于是第二次发生隧穿，重复以上的过程。如此循环往复，形成电荷或电导和电压
44、的周期振荡，即单电子隧穿振荡，或称库仑振荡(Coulo-mb Oscillation) ，振荡频率 。上图示意地表示出单隧道结电压随时间的振荡现象，图中 ，时间 。Ce)2( Ce)2(Ce2eeIf )2( CeU Iet 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物库仑平台的定义及描述库仑平台的定义及描述理想理想恒压源驱动恒压源驱动的单隧道结的单隧道结的的I-U曲线曲线 如果将前面图中的理想恒流源换上理想恒压源，当 时, 即 时，因隧穿过程不能发生，则没有电流通过，当 时，因电子隧穿则产生电流，电流
45、与电压的变化呈线性关系。这样，在I-U曲线上在 至 段将出现电流平台，称作库仑台阶。在宏观体系中，因 值极小，通常很难在曲线中观察到库仑台阶。)2( CeU 2eQ )2( CeU )2( Ce)2( Ce)2(2Ce我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物库仑岛的库仑岛的定义及描述定义及描述两个隧道结 J1 和 J2 串联在一起，其中心电极就组成一个孤立的库仑岛，J1 和 J2 中的绝缘介质分别构成隔离库仑岛的势垒。在串联结上加上一个理想的恒压源，构成图所示的串联的双隧道结。我吓了一跳，蝎子是多么
46、丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物恒压源恒压源驱动的驱动的串联双结串联双结 I-U 曲曲线线上的库仑上的库仑台阶台阶假设在上图所示串联的双隧道结上的电压 U=U1+U2 , U1 和 U2 分别为 J1 和 J2 上的电压。电子从 J1 结开始隧穿，那么加在入射势垒两端的势能 差为 eU1 ，电子隧穿到库仑岛上，则系统的库仑能将增加 E=e2/2(C1 + C2) ，C1 和 C2 分别为 J1 和 J2 的电容。只有当 eU1 E时，库仑阻塞被克服，电子才能隧穿。每当入射势垒的势能变化 eU1为 E 的整数倍时，
47、进入岛中的电子数就增加一个，同时电流亦发生一次跃变。这样，在 eU1 的能量范围内，包 含 在 岛 上 电 子 态 的 数 目 将 随 外 加 电 压 的 增 大 呈 量 子 化 的 增 加 , I-U曲线上表现为台阶形的曲线（Coulomb Staircase），如图4-25所示。图 中，台阶的个数表示岛上积蓄的电子数目。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物产生库仑台阶的条件产生库仑台阶的条件 台 阶 形台 阶 形 I - U 曲 线 产 生 的 条 件 是曲 线 产 生 的 条 件 是 R2
48、C2 R1C1（为什么？）（为什么？），R1 和和 R2 分别为分别为 J1 和和 J2 的电阻，的电阻，即双结不对称。台阶的高度为即双结不对称。台阶的高度为 ， 为单个电子隧穿为单个电子隧穿击射垒所需的平均时间。在击射垒所需的平均时间。在 J1 和和 J2 串联组成的库仑岛串联组成的库仑岛上加一个栅电极，在控制栅极上外加上加一个栅电极，在控制栅极上外加 Ue的电压，通过电的电压，通过电容容 C 的 静 电 耦 合 可 以 连 续 改 变 库 仑的 静 电 耦 合 可 以 连 续 改 变 库 仑 岛的静电势，亦可以周期性的满足发生隧穿事件的岛的静电势，亦可以周期性的满足发生隧穿事件的 条件。条
49、件。e我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物单单电子现象的实验观察电子现象的实验观察 单电子现象单电子现象产生的条件产生的条件 要保证隧道结的静电势远大于环境温度引起的涨落能，即要保证隧道结的静电势远大于环境温度引起的涨落能，即 e2 / (2C) KBT，否则单电子现象将被热起伏所淹没。因此，否则单电子现象将被热起伏所淹没。因此，室温下观察单电子隧穿要求库仑岛的尺寸小至几个纳米的数量室温下观察单电子隧穿要求库仑岛的尺寸小至几个纳米的数量级。级。 隧道结的电阻必须远大于电阻量子隧道结的电阻必须远大
50、于电阻量子 Rk= /e2 25.8K。该该条件的物理意义可理解为：当在一个隧道结两端施以偏压条件的物理意义可理解为：当在一个隧道结两端施以偏压 U 时，时，电子的隧穿几率电子的隧穿几率= U / (eR) , 那么两次隧穿事件的时间间隔为那么两次隧穿事件的时间间隔为1/=eR / U 。而由测不准原则所决定的一次隧穿事件的周期为而由测不准原则所决定的一次隧穿事件的周期为1 / eU, 因此，必须满足因此，必须满足eR / U 1 / eU , 即即 R /e2 。这意味着。这意味着两次隧穿事件不重叠发生，从而保证电子一个一个地隧穿。两次隧穿事件不重叠发生，从而保证电子一个一个地隧穿。 我吓了