量子サイズ効果とは、物質のサイズがナノスケールに近づくにつれて、その電子特性や光学特性が変化する現象を指します。物質の寸法が電子のド・ブロイ波長に匹敵するようになると、量子閉じ込めが発生します。これにより電子のエネルギー準位が量子化され、サイズに依存するバンドギャップが生じます。[latex]E_g(R) approx E_{g,bulk} + frac{hbar^2pi^2}{2R^2}(frac{1}{m_e^*} + frac{1}{m_h^*})[/latex]。

(画像はイメージです)
量子サイズ効果とは、物質のサイズがナノスケールに近づくにつれて、その電子特性や光学特性が変化する現象を指します。物質の寸法が電子のド・ブロイ波長に匹敵するようになると、量子閉じ込めが発生します。これにより電子のエネルギー準位が量子化され、サイズに依存するバンドギャップが生じます。[latex]E_g(R) approx E_{g,bulk} + frac{hbar^2pi^2}{2R^2}(frac{1}{m_e^*} + frac{1}{m_h^*})[/latex]。
The Quantum Size Effect is a direct consequence of quantum mechanics and is one of the primary reasons nanomaterials exhibit unique behaviors. In a bulk semiconductor, the energy levels for electrons and holes are so closely spaced they form continuous bands: a valence band and a conduction band, separated by an energy band gap, [latex]E_g[/latex]. However, when the semiconductor is shrunk to a nanocrystal (a quantum dot), its dimensions become comparable to the exciton Bohr radius (the natural separation distance between an electron-hole pair).
この空間的閉じ込めにより、電子と正孔ははるかに小さな体積に押し込められ、実質的に「箱の中の粒子」のように振る舞います。量子力学によれば、この閉じ込めにより、連続的なエネルギーバンドが離散的な量子化されたエネルギー準位に離散化されます。これらの準位間のエネルギー分離は、ナノ結晶のサイズが小さくなるにつれて大きくなります。その結果、材料の実効バンドギャップが広がります。Brus方程式は、半径Rの球状ナノ結晶の新しいバンドギャップ[latex]E_g(R)[/latex]の一次近似を提供します。ここで、[latex]m_e^*[/latex]と[latex]m_h^*[/latex]は、それぞれ電子と正孔の実効質量です。このサイズ調整可能なバンドギャップは、量子ドットのユニークな光学的特性の鍵となります。電子が励起されてから基底状態に戻ると、バンドギャップに対応するエネルギーを持つ光子を放出します。バンドギャップはサイズに依存するため、小さなドットはより高エネルギー(青色)の光を発し、大きなドットはより低エネルギー(赤色)の光を発する。したがって、合成時に粒子サイズを制御するだけで、正確な色調整が可能となる。
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ナノ材料における量子サイズ効果
(日付が不明または関連性がない場合、例えば「流体力学」などでは、その注目すべき出現時期の概算値が提示されます。)
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