材料學基礎研1

2.納米結構種類0d:cluster團簇C60、量子點quantumdots（<10nm)、

納米顆粒1d:nanotubes,nanowires(quantumwires),nanorods,nanobelts,

nanofibers2d:superlattice(quantumwell),thinfilms,multilayers3d:nanocystals,nano-composites,nano-devices特征：①至少有一個方向的尺度是納米范圍：1-100nm②納米效應：②納米效應：量子尺寸效應：能帶從連續(xù)變?yōu)殡x散，

Eg

能隙變寬現(xiàn)象Eg尺寸幾個納米(<5nm)小尺寸效應：d~特征物理長度(如單疇臨界尺寸）如鐵電(磁)順電(磁)②納米效應：表面效應：d減小，S增大，表面能增加3、趁勢與主要問題尺寸、形態(tài)可控，按照一定規(guī)律排列的納米結構，直接長出分子器件(self-assembly)單個Nano的性能測量結構——性能的關聯(lián)挖掘新Nano結構、新性能Nanowiresuperlattice(Nature,2002/2)Chap.4

顯微結構MicrostructureReferences:

馮端等主編，《材料科學導論》，Chap.7

諸培南等主編，《無機非金屬材料顯微結構圖冊》顯微結構/組織結構：mmMicrostructure：含義更寬，nm——mm(Nano-)Ceramics/Metals/Polymers/Composites

點/線/面——體視學。包括了幾何、拓撲多晶多相1.結構單元及其幾何特征Geometric

1）基本單元(組元)Unit：顆粒、單相區(qū)、疇（微域）[Crystals：原子/離子/分子]單元的性質：金屬，無機非金屬，高分子，液相，氣相（晶態(tài)/或非晶態(tài)）

2）單元的相對含量Composition：材料的組成[Crystals：原子比/Mole比]重量分數(shù)體積分數(shù)表觀密度e.g.,①對二相材料:i=2,f1+f2=1②致密多晶:i=1,f=1,

體積分數(shù)無意義③通常多晶:一般有氣孔，3）單元的形狀Shape:復雜、多樣[Crystals：N/A]

理想化處理：數(shù)學上的橢球體a1a2a3a1a2a3退極因子（消磁因子）depolaritionfactor：簡化處理：旋轉體，a1=a2

長、短軸半徑

定義一個長短軸半徑比（縱橫比aspectratio)

p=a3/a1理想形狀圓球體a1=a2=a3，p=1長球體a3>a1=a2，p>1扁球體a3<a1=a2,p<1實際形狀近似球顆粒等軸多面體纖維，晶須，棒狀，柱，長球片狀，盤狀，板狀退極因子（消磁因子）depolaritionfactor：

Lii①球體：p=1②長球體Prolate：p>1對橢圓長棒：a1≠a2，p→∞

長纖維(nanowires,nanofibers)③扁球體oblate：p<1對圓盤(硬幣)形狀：a1=a2》a3

薄片(nanosheets,thinfilms)4)單元尺寸Size[Crystals：原子/離子/分子半徑]平均顆粒尺寸：d=2Rnmmm

尺寸分布：對數(shù)正態(tài)分布Log-normaldistributiond:標準偏差N(d’)d’x1x34)單元取向Orientation形狀：異形單元：性質各向異性x2x’1x’3：方向余弦

q=0，完全定向排列alongx3q=0—180o，完全無規(guī)則

F(q):Orientationdistribution2.拓撲特征Topology1）連接度Connectivity0-3型3-3型1-3型2-2型2)周期性Periodicity

Laminated(mm)Multi-layers(nm)

Superlattices(nm)連續(xù)纖維(mm)

模板生長(nm)②0-3或3-3型Quantumdots3-3型opal

Photoniccrystals(光子晶體）介電周期結構光子帶隙(PGB)

Phononic(orsonic)crystals(聲子晶體）密度/剛度周期結構聲子帶隙(SGB）或彈性帶隙(EBG)

光子“晶體”、聲子“晶體”:

在顯微結構層次上具有類似晶體的周期性

(SC,HCP,FCC)

結構中的幾何相變:0-3（彌散）3-3（連通）

Percolation(1953)1)

格子滲流Latticepercolation3.滲流(逾滲)現(xiàn)象PercolationReference:R.Zallen,非晶態(tài)固體物理學（中譯本）科學版點(位置)滲流sitepercolation鍵滲流bondpercolationpc

滲流閾值PercolationthresholdWhypercolation?

2)

標度律（Scalinglaw)與普適性（Universality)

標度律：

Nearpc

突變行為

不同“臨界指數(shù)”之間存在簡單關系

普適性：臨界指數(shù)（e）只與空間維數(shù)有關，與詳細結構無關kppc3）滲流閾值臨界點：與顯微結構密切相關d點陣類型pc(點）填充因子ηfc=η.pc平均fc2三角形0.50.90670.452方格0.5930.78540.472六角0.6980.60460.420.45±0.033FCC0.1980.74050.1473BCC0.2450.68020.1673SC0.3110.52360.1633Diamond0.4280.34010.1460.16±0.02不同點陣中的點滲流閾值(計算機模擬結構)臨界體積分數(shù)

臨界體積分數(shù)fc

——Sher-Zallen不變性d=2,等徑的圓盤d=3,等徑的球臨界體積分數(shù)：fc=η.pc

d=2

fc=0.45±0.03~0.5

d=3

fc=0.16±0.02無規(guī)則點陣

等徑的顆粒！

d=2films:fc≈0.45~0.5

d=3

Bulk:fc≈0.16規(guī)則點陣①尺寸的影響4）顯微結構對fc的影響——定性