二氧化锡半导体纳米粉体的制备及气敏性能研究报告.doc

二氧化锡半导体纳米粉体的制备及气敏性能研究报告无机材料综合设计性实验半导体纳米粉体的制备及气敏性能研究一：文献综述半导体纳米粉体概念、特性、用途、半导体特性的研究方法；纳米氧化锡的结构、特性、制备原料及方法、表征、应用、国内外研究现状等氧化锡纳米粉体制备过程中制备条件对粉体粒径及形貌的影响。 1．纳米材料介绍1．1．1纳米材料的种类我们所说的纳米材料，指的是在三维空间中至少有一维处于纳米尺寸范围内的材料或由这些材料作为基本单元构成的复合材料。纳米材料的基本单元可以分为三类：(1)零维材料：材料在空间三维尺度均在纳米尺度，如纳米微粒，稳定的团簇等；(2)一维材料：材料在空间有两维在纳米尺度，如纳米线，纳米棒，以及纳米管等；(3)二维材料：材料在三维空间中有一维在纳米尺度，如超薄膜和超晶格等。因为上述的纳米材料单元往往具有量子性质，所以对零维，一维和二维的纳米材料基本单元分别又有量子点，量子线和量子阱的称号。半导体量子点材料的物理行为与原子极为相似，所以被称为“人造原子”，电子在其中的能量状态呈类似原子的分立结构。而量子阱和量子线的电子态密度分别呈台阶形状和尖峰形状。纳米材料其实一直都存在于自然界中，不过为数并不多，大部分的纳米材料都是由人工制造的。我国古代利用燃烧蜡烛的烟雾制成的碳黑作为墨的原料，以及用于作色的染料，都属于最早的纳米材料。纳米材料有各种各样的分类，按其化学成分可分为：纳米金属，纳米晶体，纳米陶瓷，纳米玻璃，以及纳米高分子等。按材料物性可分为：纳米半导体材料，纳米磁性材料，纳米非线性光学材料，纳米铁磁体材料，纳米超导体材料，以及纳米热电材料等。按应用方向可分为：纳米电子材料，纳米光电子材料，纳米生物医用材料，纳米敏感材料，储能材料等。1．1．2纳米材料的特征在纳米体系中，由于电子波函数的相关长度与纳米体系的特征尺寸相当，这时电子不能再被看作在外场中运动的经典粒子，电子的波动性在输运过程中得到了充分的展现。另外，纳米材料在维度上所受到的限制，也使得材料中的电子态和各种相互作用表现出与三维体系十分不同的性质，展现出许多特异的物理化学效应：1)表面效应。球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积(表面积／体积)与直径成反比。随着颗粒直径变小，比表面积将会显著增大，表面原子所占的百分数将会显著地增加。当颗粒的直径减小到纳米尺度时，随着粒径减小，比表面积和表面原子数迅速增加。粒径为5nm时，表面原子数将占总数的50％；粒径为2 nm时，表面原子数增加到80％。庞大的比表面，键态严重失配，出现许多活性中心，表面出非化学平衡，这种表面能增加的现象，使得纳米体系的化学性质与化学平衡的体相材料之间出现了很大的差别。利用这种性质，可将纳米材料制成高效催化剂、光催化剂或光电转换材料等。表1-1列出纳米微粒尺寸和比表面积、表面原子数随颗粒直径变化的关系。颗粒直径d(nm)比表面积(m2)包含总原子数表面原子占总原子的百分比(10521901804509003×1044×1032.5×1023020408099表1—1面积和表面原子数比例随直径变化的关系2)量子尺寸效应。金属大块材料的能带可以看作是连续的，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准连续变为离散能级的现象和纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道(HoM0)和最低未被占据的分子轨道(LUM0)能级，能隙变宽现象均称为量子尺寸效应。能带理论表明，金属费米能级附近电子能级一般是连续的，这一点只有在高温或宏观尺寸情况下才成立，对于只有有限个导电电子的超微粒来说，低温下能级是离散的，对纳米微粒而言，能级的间距发生分裂，当能级间距大于热能，磁能，静磁能，静电能，光予能量或超导态的凝聚能对，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，电以及超导电性与宏观特性有着显著的不同。3)小尺寸效应。当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度和透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性边界条件被破坏；非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小，导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现新的效应。例如，光吸收显著增加，并产生吸收峰的等离子兆振频移；磁有序态向磁无序态、超导相向正常相的转变；声于谱发生改变等。4)宏观量子隧道效应。电子具有粒子性又具有波动性。微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。近年来，人们发现一些宏观量，如：微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等也具有隧道效应，称为宏观的量子隧道效应。量子尺寸效应、宏观量子隧道效应将会是未来微电子、光电子器件的基础，或者它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限，当微电子器件进一步微型化时必须要考虑上述的量子效应。例如，在制造半导体集成电路时．当电路的尺寸接近电子波