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1、第四章第四章 纳米科学的基纳米科学的基本理论本理论纳米微粒的四大效应纳米微粒的四大效应（1）表面效应表面效应 是指纳米粒子表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而是指纳米粒子表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后引起的性质上的变化。急剧增大后引起的性质上的变化。（2）量子尺寸效应量子尺寸效应 当粒子尺寸降低到某一值时，金属费米能级附近的电当粒子尺寸降低到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为分立能级和纳米半导体微粒的能隙变宽的现象均称子能级由准连续变为分立能级和纳米半导体微粒的能隙变宽的现象均称为量子尺寸效应。为量子尺寸效应。（3）小尺寸效应小尺寸效应 当纳米粒子尺寸与德布罗
2、意波以及超导态的相干长度或当纳米粒子尺寸与德布罗意波以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，对于晶体其周期性的边界条件透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，对于晶体其周期性的边界条件将被破坏，对于非晶态纳米粒子其表面层附近原子密度减小，这些都会将被破坏，对于非晶态纳米粒子其表面层附近原子密度减小，这些都会导致电、磁、光、声、热力学等性质的变化，这称为小尺寸效应。导致电、磁、光、声、热力学等性质的变化，这称为小尺寸效应。（4）宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应 微观粒子具有穿越势垒的能力称为隧道效应。近微观粒子具有穿越势垒的能力称为隧道效应。近年来，人们发现一些宏观量，例如微粒的磁
3、化强度、量子相干器件中的年来，人们发现一些宏观量，例如微粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化，磁通量等亦具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化，故称为宏观量子隧道效应。故称为宏观量子隧道效应。4.1 表面效应表面效应表表面面效效应应是是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随着粒子尺寸的减小而大幅度的增加，粒子的表面能及表面张力也随着增加，从而引起纳米粒子物理、化学性质的变化。10纳米纳米1纳米纳米0.1纳米纳米随着尺寸的减小，表面积迅速增大随着尺寸的减小，表面积迅速增大边长立方体数每面面积总 表 面积1 cm10-5 cm(10
4、0 nm)10-6 cm(10 nm)10-7 cm(1 nm)11015101810211 cm210-8 cm210-12 cm210-14 cm26 cm26105cm26106cm26107cm2把边长为1cm的立方体逐渐分割减小的立方体，总表面积将明显增加。例如，粒径为10 nm时，比表面积为90 m2/g，粒径为5 nm时，比表面积为180 m2/g，粒径下降到2 nm时，比表面积猛增到450 m2/g1 1、比表面积的增加、比表面积的增加表给出了不同尺寸的紧密堆积由六边形或立方形紧密堆积的原子组成的全壳型团簇中表面原子所占的比例。全壳型团簇是由一个中心原子和绕其紧密堆 积 的 1
5、、2、3、.层外壳构成。2、表面原子数的增加、表面原子数的增加2、表面原子数的增加、表面原子数的增加表面原子数占全部原子数的表面原子数占全部原子数的比例比例和和粒径粒径之间的关系之间的关系2、表面原子数的增加表面原子数的增加由于纳米晶体材料中含有大量的晶界，因而晶界上的原子占有相当高的比例。例如对对于于直直径径为为5 nm的的晶晶粒粒，大约有50%的原子处于晶粒最表面的为晶晶界界或或相相界界。对对于于直直径径为为10nm的的晶晶粒粒大大约约有有25%的的原原子位于晶界子位于晶界；直径为50 nm的球形粒子的表面原子比例仅占总原子数的6%。3、表面能的增加、表面能的增加 颗粒细化时，表面积增大，
6、需要对其做功，所做的功部分转化为表面能储存在体系中。因此，颗粒细化时，体系的表面能增加了。由于大量的原子存在于晶界和局部的原子结构不同于体相材料，必将使纳米材料的自由能增加，使纳米材料处于不稳定的状态，如晶粒容易长大，同时使材料的宏观性能发生变化。4、纳米颗粒表面与体相表面的区别、纳米颗粒表面与体相表面的区别 若用高分辨电子显微镜对金超微颗粒(直径为 2 nm)进行电视摄像，实实时时观观察察发发现现这这些些颗颗粒粒没没有有固固定定的的形形态态，随着时间的变化会自动形成各种形状（如立立方方八八面面体体，十十面面体体，二二十十面面体体多多孪孪晶晶等），它既不同于一般固体，又不同于液体，是一种准固体
7、。在电子显微镜的电子束照射下，表表面面原原子子仿仿佛佛进进入入了了“沸沸腾腾”状状态态，尺寸大于10纳米后才看不到这种颗粒结构的不稳定性，这时微粒具有稳定的结构状态。5、表面效应的主要影响、表面效应的主要影响 纳米粒子的表面原子所处的位位场场环环境境及及结结合合能能与内部原子有所不同。存在许多悬悬空空键键，配配位位严严重重不不足足，具具有有不不饱饱和和性性质质，因而极易与其它原子结合而趋于稳定。所以具有很高的化学活性。利用表面活性，金属纳米颗粒可望成为新一代的高效催化剂和贮气材料以及低熔点材料。图中所示的是单一立方结构的晶粒的二维平面图假设颗颗粒粒为为圆圆形形，实实心心团团代代表表位位于于表表
8、面面的的原原子子。空空心心圆圆代代表表内内部部原原子子，颗颗粒粒尺尺寸寸为为3nm，原原子子间间距距为为约约0.3nm。纳米粒子表面活性高的原因纳米粒子表面活性高的原因 很很明明显显，实实心心圆圆的的原原子子近近邻邻配配位位不不完完全全，存在缺少一个近邻的“E”原子，缺少两个近邻的“B”原子和缺少3个近邻配位的“A”原子，“A”这样的表面原子极不稳定，很快跑到“B”位置上，这些表面原子一遇见其他原子，很快结合，使其稳定化，这就是活性的原因。就是活性的原因。这这种种表表面面原原子子的的活活性性不不但但引引起起纳纳米米粒粒子子表表面面原原子子输输运运和和构构型型的的变变化化，同同时时也也引引起起表
9、表面面电电子子自自旋构像和电子能谱的变化旋构像和电子能谱的变化。纳米粒子表面活性高的原因纳米粒子表面活性高的原因5、表（界）面效应的主要影响、表（界）面效应的主要影响（1）表面化学反应活性）表面化学反应活性(可参与反应可参与反应)。（2）催化活性。）催化活性。（3）纳米材料的（不）稳定性。）纳米材料的（不）稳定性。（4）铁磁质的居里温度降低。）铁磁质的居里温度降低。（5）熔点降低。）熔点降低。（6）烧结温度降低。）烧结温度降低。（7）晶化温度降低。）晶化温度降低。（8）纳米材料的超塑性和超延展性。）纳米材料的超塑性和超延展性。（9）介电材料的高介电常数（界面极化）。）介电材料的高介电常数（界面
10、极化）。（10）吸收光谱的红移现象。）吸收光谱的红移现象。6、表面效应的应用：、表面效应的应用：催化剂催化剂，化学活性。Cu,Pd/Al2O3吸吸附附剂剂（储氢材料、碳纤维、碳管、合金等载体）。导致粒子导致粒子球形化球形化形状形状。金属纳米粒子自燃金属纳米粒子自燃。需钝化处理。4.2 量子尺寸效应量子尺寸效应由由于于尺尺寸寸减减小小，纳纳米米颗颗粒粒的的能能级级间间距距变变为为分分立立能能级级，如如果果热热能能，电电场场能能或或磁磁场场能能比比平平均均的的能能级级间间距距还还小小时时，纳纳米米颗颗粒粒就就会会呈呈现现一一系系列列与与宏宏观观物物体体截截然然不不同同的的反常特性，称之为反常特性，
11、称之为量子尺寸效应量子尺寸效应。1、基本概念基本概念量量子子化化：量子力学中，某一物理量的变化不是连续的，称为量子化。费米能级：金属内的电子因苞利不相容原理不能每一个电子都在最低的能级，便一个一个依序往高能级填直到最后一个填进的那个能级便是费米能级。价带的最高能量状态叫费米能级。电子的占据率为1/2的能量。态密度：固体物理中的重要概念，单位体积单位能量的状态数 N(E)。N-E关系反映出固体中电子能态的结构，固体中的性质如电子比热，顺磁磁化率等与之关系密切。在技术上，可利用X射线发射光谱方法测定态密度对自由电子而言，N(E)=4VEl/2(2m)3/2/h3，式中V为晶体体积，h为普朗克常数，
12、m为电子质量。1、基本概念基本概念能能带带：实实际际晶晶体体中中，如如果果N个个原原子子集集聚聚形形成成晶晶体体，则则孤孤立立原原子子的的一一个个能能级级将将分分裂裂成成N个个能能级级。N的的数数目目非非常常大大时时，一一个个能能级级分分裂裂成成的的N个个能能级级的的间间距距非非常常小小，可可以以认认为为这这N个个能能级级形形成成一一个个能能量量准准连连续续(quasi-continuous)的的区区域域，这这样样的的一一个个能能量量区区域域称为称为能带能带。14个个硅硅原原子子汇汇集集形形成成晶晶体体硅硅的情况：的情况：Si14 1S22S22P63S23P2孤孤立立的的硅硅原原子子彼彼此此
13、接接近近形形成成金刚石结构晶体。金刚石结构晶体。1、基本概念基本概念 当N(很多)个硅原子相互接近形成固体时，随着原子间距的减小，其最外层3P和3S能级首先发生相互作用，导致能级分裂，形成N个不同的能级。这些能级汇集成带状结构，即带状结构，即能带能带。当原子间距进一步缩小时，3S和3P能带失去其特性而合并成一个能带(杂化)。当原子间距接近原子间的平衡距离时，该能带再次分裂为两个能带。两个能带之间的没有可能的电子态的区域，称为禁带禁带。禁带的形成禁带的形成可以认为来源于孤立原子不同原子来源于孤立原子不同原子轨道之间的能隙轨道之间的能隙。在禁带上方的能带叫导带导带，下方的能带叫价带价带。1、基本概
14、念基本概念固体能带区分绝缘体、半导体、导体固体能带区分绝缘体、半导体、导体2、纳米颗粒的能级纳米颗粒的能级 量量子子尺尺寸寸效效应应是指电子的能量被量子化，形成分立的电子态能级，电子在该系统中的运动受到约束。当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由由准准连连续续变变为为离离散散能能级级的的现现象象和纳米半导体微粒存在不连续的最最高高被被占占据据分分子子轨轨道道(HOMO)和最最低低未未被被占占据据的的分分子子轨轨道道能能级级(LUMO)，能隙变宽现象，称为量子尺寸效应量子尺寸效应。下图a、b分别为半半导导体体和和金金属属的的原原子子、微微粒粒和和块块体体的的能能带带结结构构。在在
15、半半导导体体中中，费费米米能能级级位位于于导导带带和和价价带带之之间间，带带边边决决定定了了低低能能光光电电性性质质，带带隙隙光光激激发发强强烈烈依依赖赖于于粒粒子子的的尺尺寸寸；而在在金金属属里里，费费米米能能级级位位于于导导带带的的中中心心，导导带带的的一一半半被被占占据据(图图中中黑黑色色部部分分)。金金属属超超细细微微粒粒费费米米面面附附近近的的电电子子能能级级变变为为分分立立的的能级，出现能隙能级，出现能隙。2、纳米颗粒的能级纳米颗粒的能级当能级间距大于热能kBT、静磁能0BH、静电能edE、光子能量hv或超导态的凝聚能时，这时必须要考虑量子尺寸效应，这会导致纳米微粒磁、光、声、热、
16、电以及超导电性与宏观特性有着显著的不同。2、纳米颗粒的能级纳米颗粒的能级久保理论：久保理论：1962年，久久保保（Kubo）及其合作者及其合作者提出了著名的久保理论。久保理论。其其内内容容为为：当当微微粒粒尺尺寸寸进进人人到到纳纳米米级级时时，由由于于量量子子尺尺寸寸效效应应，原原大大块块金金属属的的准准连连续续能能级级产产生生离离散散现现象象 久保理论是针对金金属属超超微微颗颗粒粒费费米米面面附附近近电电子子能能级级状状态态分分布布而提出来的，不同于大块材料费米面附近电子态能级分布电子态能级分布的传统理论。根据久保理论，只有kBT(热运动能)时才会产生能级分裂，从而出现量子尺寸效应3、量子尺
17、寸效应的主要影响、量子尺寸效应的主要影响A 导导电电的的金金属属在在制制成成超超微微粒粒子子时时就就可可以以变变成成半半导导体或绝缘体体或绝缘体。B 磁磁化化率率的的大大小小与与颗颗粒粒中中电电子子是是奇奇数数还还是是偶偶数数有有关关。C 比比热热亦亦会会发发生生反反常常变变化化，与与颗颗粒粒中中电电子子是是奇奇数数还是偶数有关还是偶数有关。D 光谱线会产生向短波长方向的移动光谱线会产生向短波长方向的移动。E 催催化化活活性性与与原原子子数数目目有有奇奇数数的的联联系系，多多一一个个原原子活性高，少一个原子活性很低。子活性高，少一个原子活性很低。*4.3 小尺寸效应小尺寸效应当纳米粒子的尺寸与
18、光波波长、德布罗意波长、超导态的相干长度或(与)磁场穿透深度相当或更小时，晶体周期性边界条件将被破坏，非非晶晶态态纳米微粒的颗粒表面层附近的原子密度减小，导致声、光、电、磁、热力学等特性出现异常的现象-小尺寸效应小尺寸效应。1、从宏观到微观的能态密度从宏观到微观的能态密度 纳米材料具有小的尺寸，这直接影响着它们的能级结构，也间接改变了相应的原子结构，这种影响通常被定义为量子限域量子限域。在纳米晶体中，块块状状晶晶体体的的平平移移对对称称性性和和无无限限尺尺寸寸的的假假设设不再成立，因此块状晶体的能级模型不能适用于纳米晶。如图，纳纳米米晶晶的的能能级级是是离离散散的的，与与单单个个原原子子和和小
19、小原原子子簇簇相相比比，能能级级密密度度更更大大，能能级级间间距距变变小小；与与常规固体相比，能级密度变小，能级间距变大。常规固体相比，能级密度变小，能级间距变大。1、从宏观到微观的能态密度从宏观到微观的能态密度1、从宏观到微观的能态密度从宏观到微观的能态密度 通通常常将将具具有有离离散散能能级级的的纳纳米米晶晶称称为为量量子子点点。能带和带隙的概念适用。例如，对于金金属属量量子子点点，在在Fermi能能级级附附近近的的能能级级间间距距与与EF/Nc呈呈正正比比，Nc为量子点中的电子数。假设N接近于1个原子，EF为几个eV，那么金属量子点的禁带可以在非常低的温度下在非常低的温度下观察到。相反，
20、对于半半导导体体量量子子点点，禁带非常宽，在在室温下就可以观察到室温下就可以观察到。例如CdSe量子点在可见光范围出现尺寸可调的荧光发射。Different samples of CdSe nanocrystals in toluene solution可以进行全波段发光。颜色由禁带宽度决定。可以进行全波段发光。颜色由禁带宽度决定。电子能态密度与尺度的关系为：电子能态密度与尺度的关系为：随着尺度的降低，准连续能带消失，在量子点出随着尺度的降低，准连续能带消失，在量子点出现完全分离的能级。现完全分离的能级。2D量子阱量子阱1D量子线量子线0D量子点量子点3D大块材料大块材料*2、纳纳米米材材料料
21、在在电电子子输输运运过过程程中中的的小尺寸效应：小尺寸效应：纳米颗粒存在大量的晶界，几乎使大量电子运动局限在小颗粒范围，对电子散射非常强电子散射非常强。（1）晶界原子排排列列越越混混乱乱，晶晶界界厚厚度度越大，对电子散射能力散射能力就越强。（2）界面具有高能垒导致纳米相材料的电阻升高。3、传统集成电路小型化的技术障碍、传统集成电路小型化的技术障碍（1）强电场问题强电场问题由于尺寸小，在短距离内加偏置电压，器件会产生强电场，载流子在强电场作用下碰撞后，使大量电子具有高能量，出现载流子热化现象，会引起“雪崩击穿”，电流增大，器件破坏。（2）热损耗问题热损耗问题器器件件尺尺度度减减小小和和集集成成电
22、电路路密密度度提高，散热问题会越来越重。（3）体材料特性消失和小尺度半导体掺杂非均体材料特性消失和小尺度半导体掺杂非均匀性匀性 MOSFET栅长为50 nm，宽度为100 nm为例，如果沟道中电子数目为2 1012/cm2，在沟道中平均大约有100个电子，如果存在单个杂质涨落，受载流子相位干涉控制，电导的变化将不是1%，而是e2/h，大约为40S。如果器件的电导为1S，涨落可达40%。造成器件稳定性变差。造成器件稳定性变差。解决方法解决方法：一、完全不掺杂；二、使掺杂原子形成规则阵列。3、传统集成电路小型化的技术障碍、传统集成电路小型化的技术障碍3、传统集成电路小型化的技术障碍、传统集成电路小
23、型化的技术障碍（4）耗尽区减小耗尽区减小当器件处于“关”的状态，由于耗尽区太薄，不能阻止从源极到漏极的电子量子力学隧穿量子力学隧穿。（5）氧化层厚度减小和非均匀性氧化层厚度减小和非均匀性当氧化层薄到一定尺度就不能阻止电子从栅极漏出到达漏极。氧化层不均匀时氧化层不均匀时，通过薄的地方漏电流会很大。总的漏电流达到一定程度就会影响器件的功能。3、传统集成电路小型化的技术障碍、传统集成电路小型化的技术障碍（6）载流子输运形式改变载流子输运形式改变 欧姆定律：扩散输运（晶格、杂质、缺陷）；当尺寸小于电子平均自由程，电子输运过程中可能不会受到散射而通过样品，称为弹弹道道(ballistic)输运输运。看上
24、去，电阻应为0；实验表明：纳纳米米材材料料的的电电导导不不会会无无限限大大，而而是是趋于一个极限值趋于一个极限值。电阻来源于不不同同材材料料的的界界面面或或不不同同几几何何区区域域的的边界边界。在界面上，由于界面势垒的存在，一部分电子被反射回来，另一部分以隧穿方式穿过势垒。4、小尺寸效应的主要影响、小尺寸效应的主要影响（1）金属纳米相材料的电阻增大与临界尺寸现象 （电子平均自由程）（2）宽频带强吸收性质 （光波波长）（3）激子增强吸收现象 （激子半径）（4）磁有序态向磁无序态的转变（超顺磁性）（磁各向异性能）（5）超导相向正常相的转变 （超导相干长度）（6）磁性纳米颗粒的高矫顽力 （单畴临界尺
25、寸）*光学光学 当当黄黄金金被被细细分分到到小小于于光光波波波波长长的的尺尺寸寸时时，即即失失去去了了原原有有的的富富贵贵光光泽泽而而呈呈黑黑色色。事实上，所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。尺尺寸寸越越小小，颜颜色色愈愈黑黑，银银白白色色的的铂铂(白白金金)变变成成铂铂黑黑，金金属属铬铬变变成成铬铬黑。黑。由此可见，金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于l%，大约几微米的厚度就能完全消光。利利用用这这个个特特性性可可以以作作为为高高效效率率的的光光热热、光光电电等等转转换换材材料料，可可以以高高效效率率地地将将太太阳阳能能转转变变为为热热能能、电电能，还可能应用与红外敏感元件和红外隐身技
26、术。能，还可能应用与红外敏感元件和红外隐身技术。热学热学 固固态态物物质质在在其其形形态态为为大大尺尺寸寸时时，其其熔熔点点是是固固定的；定的；超超细细微微化化后后却却发发现现其其熔熔点点将将显显著著降降低低，当当颗颗粒小于粒小于10 nm 量级时尤为显著。量级时尤为显著。例如，块状金的常规熔点为1064，当颗粒尺寸减小到10 nm尺寸时，则降低27，2 nm尺寸时的熔点仅为327左右。4.4 库伦堵塞与量子隧道效应库伦堵塞与量子隧道效应1.库仑堵塞效应库仑堵塞效应 当对一个小体系充电时，由公式 可知，球体半径R越小，充相同电量的电，所需作功越大。充一个电子所做的功为：对比久保理论中取出或放入
27、一个电子的能量e2/d，二者结果相似。1、库伦堵塞效应库伦堵塞效应上上式式可可知知：颗颗粒粒尺尺寸寸减减小小，充充一一个个电电子子所所做做的的功越大。功越大。当当导导体体尺尺度度进进入入纳纳米米尺尺度度时时，充充放放电电过过程程很很难难进进行行，或或充充、放放电电过过程程变变得得不不能能连连续续进进行行，即即体体系变得电荷量子化。这个能量称为库仑堵塞能系变得电荷量子化。这个能量称为库仑堵塞能。换句话说，库仑堵塞能是前一个电子对后一个库仑堵塞能是前一个电子对后一个电子的库仑排斥能。电子的库仑排斥能。这就导致了对一个小体系的充放电过程，电子电子不能集体运输，而是一个一个的单电子传输。不能集体运输，
28、而是一个一个的单电子传输。由于库仑堵塞效应的存在，电流随电压的上升不再是直线上升(欧姆定律)，而是在IV曲线上呈现锯齿形状的台阶锯齿形状的台阶。(见下图)通通常常把把小小体体系系这这种种单单电电子子运运输输行行为为，称称为为库库仑仑堵塞效应堵塞效应。这就是是20世纪80年代介介观观领领域域所所发发现现的的极极其其重要的物理现象之一重要的物理现象之一。参考久保理论电中性假设-对于一个超微粒子取走或放入一个电子都是十分困难的。小粒子取放电子做功增大的问题小粒子取放电子做功增大的问题。1、库伦堵塞效应库伦堵塞效应2、量子隧穿、量子隧穿如果两个量子点通过一个“结”连接起来，一个量子点上的单单个个电电子
29、子穿过势垒到另一个量子点上的行为叫量子隧穿量子隧穿。为了使单电子从一个量子点隧穿到另一个量子点，在一个量子点所加的电压必须克服Ec,即Ve/C。通常，库仑堵堵塞塞和和量量子子遂遂穿穿必须在极低的温度下观察：即：只有当热运动能KBT小于库仑堵塞能，才能观察到库仑堵塞效应和量子隧道效应(电子由一个粒子跃到另一个小导体)。明显可以看出：体体积积尺尺寸寸越越小小，C越越小小，Ec(e2/2C)越大，允许观察的温度越大，允许观察的温度T就越高。就越高。下图为单电子晶体管的结构和等效电路示意图单电子晶体管的结构和等效电路示意图。在图a中，源源极极、漏漏极极和和栅栅极极都都是是由由金金属属材材料料制制成成，
30、岛岛区区材材料料通通常常是是导导体体或或半半导导体体材材料料，两个金属电极之间一个极薄的绝缘层，称隧隧道道结结。栅栅极极绝绝缘缘层层和和隧隧道道结结是是由由绝绝缘缘材材料料或或禁禁带带很很宽宽的的半半导导体体材材料料制制成成，两两隧隧道道结结用用的的材材料料一一致致。隧道结、岛区和栅极的绝缘层的尺寸分别为约1 nm、10 nm和和10 nm。图b为a的等效电路，其中Vg为栅极电压，Cg为栅极绝缘层电容，CJ、RT分别为隧道结的电容和电阻。单电子晶体管和等效电路示意图 VgCgCJ1RT1CJ2RT2VdsIds4.5 宏宏观观量量子子现现象象及及宏宏观观量量子隧道效应子隧道效应1、超导现象、超
31、导现象 1908年，荷兰物理学家昂昂内内斯斯成功地获得了液氦；1913年诺贝尔物理奖。三年之后，他发现水银的电阻在4.2K温度突然下降为零，这种现象称为超导电性超导电性。1956年库伯库伯认为超导电流超导电流是由库伯对库伯对产生的。1976年诺贝尔物理奖库伯对库伯对：两个电子形成库伯对。一对自自旋旋动动量量相相反反的电电子子通过晶晶格格相相互互作作用用(声声子子)结成对，如果胜过排斥的库仑作用，则为吸引作用，两两电电子子的的能能量量差差越越小小，这这个个吸吸引引作作用用越越强强，在费米能级附近，大于或等于声子能量范围的那些能级上的电子通过声声子子作作用用而相互吸引，束缚在一起，像双子星运动一样
32、，称之为库伯对库伯对。拆开它们是需要能量的，高强度的电场和磁场都能使之拆开而由超导态进入正常态。1、超导现象、超导现象2、磁通量子、磁通量子 磁力线的分布，用磁场作用于铁屑可直接观察，即磁通量磁通量也是量子化的。3、宏观量子现象、宏观量子现象 为了区别单个电子、质子、中子等微观粒子的微观量子现象，把宏观领域出现的量子效应称为宏观量子效应宏观量子效应。因超导电流是由库伯对产生的，因此其电流是2e的整数倍，因此是宏观量子现象宏观量子现象。磁磁通通量量子子也是一种宏观的量子现象，可直接观察到，区别于基本磁量子磁量子。宏观的量子效应宏观的量子效应 可可以以理理解解为为微观粒子彼此结成对，形成高度有序，
33、长程相干的状态。大量粒子的整体运动，就如同其中一个粒子的运动一样。因为一个粒子的运动是量子化的，则这些大量粒子的运动可表现为宏观的量子效应宏观的量子效应。4、宏观量子隧道效应、宏观量子隧道效应微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。微微观观的的量量子子隧隧道道效效应应可以在宏观物理量中例如微粒的磁化强度，量子相干器件中的磁通量等表现出来，称为宏宏观观量量子子隧隧道道效效应应。(宏观量子所产生的隧道效应)1962年约瑟夫逊(22岁)预言库伯对有隧道效应。1973年度诺贝尔奖金物理学奖4、宏观量子隧道效应、宏观量子隧道效应宏宏观观量量子子隧隧道道效效应应会是
34、未来微电子器件的基础，它既限制了微电子器件进一步微微型型化化的极限的极限，又限制了颗粒记录密度颗粒记录密度。例如，在制造半导体集成电路时，当当电电路路的的尺尺寸寸接接近近电电子子波波长长时时，电子就通过隧隧道道效效应应而溢出器件，使器件无法正常工作，经典电路的极限尺寸大概在0.25微米微米。另外，颗粒太细时，超过临界尺寸，进入超顺磁性，磁化率很低，颗粒相距太近时，畴壁处的隧道效应畴壁处的隧道效应使磁记录强度磁记录强度不稳定。4.6 介电限域效应 介介电电限限域域是是纳米微粒分散在异质介质中由于界界面面引起的体系介介电电增增强强的现象，主要来源于微微粒表面和内部局域场的增强粒表面和内部局域场的增
35、强。当介介质质的的折折射射率率与微微粒粒的的折折射射率率相差很大时，产生了折折射射率率边边界界，这就导致微粒表面和内部的场强比入射场强明显增加，这种局域场场的增强称为介电限域介电限域。一般来说，过过渡渡族族金金属属氧氧化化物物和和半半导导体体微微粒粒都都可能产生介电限域效应可能产生介电限域效应。纳米微粒的介电限域对光吸收、光化学、光学非线性等会有重要的影响。介质在强激光场作用下产生的极化强度与入射辐射场强之间不再是线性关系，而是与场强的二次、三次以至于更高次项有关，这种关系称为非非线性线性。我们在分析材料光学现象的时候，既要考虑量量子尺寸效应子尺寸效应，又要考虑介电限域效应介电限域效应。4.6 介电限域效应