“当半导体纳米粒子的粒径小于激子波尔半径时，电子运动的平均自由程缩短”是怎么回事？

“激子”这个概念还是用在有机半导体中的比较多，无机半导体一般称为“载流子”。激子的波尔半径简言之就是激子在半导体中一个能自由运动的区域的半径。平均自由程是指激子在运动时的一个空间尺度。形象的说，比如在某半导体里激子的自由程是1nm，那这个激子在做无序运动时“跳一下”平均能跳出1nm远。但是如果你的半导体的尺寸比激子的波尔半径还小，激子的活动空间本来就没那么大，跳一下就跳不出1nm了。这称之为“量子限域效应”。在这个很小的尺度内，激子密度很大，很拥挤。能带也随之发生变化。这种现象一般见于非常小尺度的半导体中，如半导体量子点、量子阱等等中。

硅

结晶型的硅是暗黑蓝色的，很脆，是典型的半导体。化学性质非常稳定。在常温下，除氟化氢以外，很难与其他物质发生反应。

硅的用途：

①高纯的单晶硅是重要的半导体材料。在单晶硅中掺入微量的第IIIA族元素，形成p型硅半导体；掺入微量的第VA族元素，形成n型和p型半导体结合在一起，就可做成太阳能电池，将辐射能转变为电能。在开发能源方面是一种很有前途的材料。

②金属陶瓷、宇宙航行的重要材料。将陶瓷和金属混合烧结，制成金属陶瓷复合材料，它耐高温，富韧性，可以切割，既继承了金属和陶瓷的各自的优点，又弥补了两者的先天缺陷。 可应用于军事武器的制造第一架航天飞机“哥伦比亚号”能抵挡住高速穿行稠密大气时磨擦产生的高温，全靠它那三万一千块硅瓦拼砌成的外壳。

③光导纤维通信，最新的现代通信手段。用纯二氧化硅拉制出高透明度的玻璃纤维，激光在玻璃纤维的通路里，无数次的全反射向前传输，代替了笨重的电缆。光纤通信容量高，一根头发丝那么细的玻璃纤维，可以同时传输256路电话，它还不受电、磁干扰，不怕窃听，具有高度的保密性。光纤通信将会使 21世纪人类的生活发生革命性巨变。

④性能优异的硅有机化合物。例如有机硅塑料是极好的防水涂布材料。在地下铁道四壁喷涂有机硅，可以一劳永逸地解决渗水问题。在古文物、雕塑的外表，涂一层薄薄的有机硅塑料，可以防止青苔滋生，抵挡风吹雨淋和风化。天安门广场上的人民英雄纪念碑，便是经过有机硅塑料处理表面的，因此永远洁白、清新。

发现

1822年，瑞典化学家白则里用金属钾还原四氟化硅，得到了单质硅。

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名称由来

源自英文silica，意为“硅石”。

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分布

硅主要以化合物的形式,作为仅次于氧的最丰富的元素存在于地壳中，约占地表岩石的四分之一，广泛存在于硅酸盐和硅石中。

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制备

工业上，通常是在电炉中由碳还原二氧化硅而制得。

化学反应方程式：

SiO2 + 2C → Si + 2CO

这样制得的硅纯度为97~98%，叫做金属硅。再将它融化后重结晶，用酸除去杂质，得到纯度为99.7~99.8%的金属硅。如要将它做成半导体用硅，还要将其转化成易于提纯的液体或气体形式，再经蒸馏、分解过程得到多晶硅。如需得到高纯度的硅，则需要进行进一步的提纯处理。

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同位素

已发现的硅的同位素共有12种，包括硅25至硅36，其中只有硅28，硅29，硅30是稳定的，其他同位素都带有放射性。

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用途

硅是一种半导体材料，可用于制作半导体器件和集成电路。还可以合金的形式使用(如硅铁合金)，用于汽车和机械配件。也与陶瓷材料一起用于金属陶瓷中。还可用于制造玻璃、混凝土、砖、耐火材料、硅氧烷、硅烷。

硅的特性 铝 - 硅 - 磷

碳

硅

锗

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元素周期表

总体特性

名称, 符号, 序号 硅、Si、14

系列 类金属

族, 周期, 元素分区 14族(IVA), 3, p

密度、硬度 2330 kg/m3、6.5

颜色和外表 深灰色、带蓝色调

地壳含量 25.7%

原子属性

原子量 28.0855 原子量单位

原子半径（计算值） 110（111）pm

共价半径 111 pm

范德华半径 210 pm

价电子排布 [氖]3s23p2

电子在每能级的排布 2，8，4

氧化价（氧化物） 4（两性的）

晶体结构 面心立方

物理属性

物质状态 固态

熔点 1687 K（1414 °C）

沸点 3173 K（2900 °C）

摩尔体积 12.06×10-6m3/mol

汽化热 384.22 kJ/mol

熔化热 50.55 kJ/mol

蒸气压 4.77 帕（1683K）

声速 无数据

其他性质

电负性 1.90（鲍林标度）

比热 700 J/(kg·K)

电导率 2.52×10-4 /(米欧姆)

热导率 148 W/(m·K)

第一电离能 786.5 kJ/mol

第二电离能 1577.1 kJ/mol

第三电离能 3231.6 kJ/mol

第四电离能 4355.5 kJ/mol

第五电离能 16091 kJ/mol

第六电离能 19805 kJ/mol

第七电离能 23780 kJ/mol

第八电离能 29287 kJ/mol

第九电离能 33878 kJ/mol

第十电离能 38726 kJ/mol

最稳定的同位素

同位素 丰度 半衰期 衰变模式 衰变能量

MeV 衰变产物

28Si 92.23 % 稳定

29Si 4.67 % 稳定

30Si 3.1 % 稳定

32Si 人造 276年 β衰变 0.224 32P

核磁公振特性

29Si

核自旋 1/2

元素名称：硅

元素原子量：28.09

元素类型：非金属

发现人：贝采利乌斯 发现年代：1823年

发现过程：

1823年，瑞典的贝采利乌斯，用氟化硅或氟硅酸钾与钾共热，得到粉状硅。

元素描述：

由无定型和晶体两种同素异形体。具有明显的金属光泽，呈灰色，密度2.32-2.34克/厘米3，熔点1410℃，沸点2355℃，具有金刚石的晶体结构，电离能8.151电子伏特。加热下能同单质的卤素、氮、碳等非金属作用，也能同某些金属如Mg、Ca、Fe、Pt等作用。生成硅化物。不溶于一般无机酸中，可溶于碱溶液中，并有氢气放出，形成相应的碱金属硅酸盐溶液，于赤热温度下，与水蒸气能发生作用。硅在自然界分布很广，在地壳中的原子百分含量为16.7%。是组成岩石矿物的一个基本元素，以石英砂和硅酸盐出现。

元素来源：

用镁还原二氧化硅可得无定形硅。用碳在电炉中还原二氧化硅可得晶体硅。电子工业中用的高纯硅则是用氢气还原三氯氢硅或四氯化硅而制得。

元素用途：

用于制造高硅铸铁、硅钢等合金，有机硅化合物和四氯化硅等，是一种重要的半导体材料，掺有微量杂质得硅单晶可用来制造大功率的晶体管，整流器和太阳能电池等。

元素辅助资料：

硅在地壳中的含量是除氧外最多的元素。如果说碳是组成一切有机生命的基础，那么硅对于地壳来说，占有同样的位置，因为地壳的主要部分都是由含硅的岩石层构成的。这些岩石几乎全部是由硅石和各种硅酸盐组成。

长石、云母、黏土、橄榄石、角闪石等等都是硅酸盐类；水晶、玛瑙、碧石、蛋白石、石英、砂子以及燧石等等都是硅石。但是，硅与氧、碳不同，在自然界中没有单质状态存在。这就注定它的发现比碳和氧晚。

拉瓦锡曾把硅土当成不可分割的物质——元素。

1823年，贝齐里乌斯将氟硅酸钾（K2SiF6）与过量金属钾共热制得无定形硅。尽管之前也有不少科学家也制得过无定形硅，但直到贝齐里乌斯将制得的硅在氧气中燃烧，生成二氧化硅——硅土，硅才被确定为一种元素。硅被命名为silicium，元素符号是Si。

【gui】

硅

silicon；

硅

guī

〈名〉

一种四价的非金属元素,以化合物的形式,作为仅次于氧的最丰富的元素存在于地壳中,通常是在电炉中由碳还原二氧化硅而制得的,主要以合金的形式使用(如硅铁合金),也与陶瓷材料一起用于金属陶瓷中,或用作半导体材料(如在晶体管中)和光生电池的元件 [silicon]――元素符号Si

一种非金属元素，是一种半导体材料，可用于制作半导体器件和集成电路。旧称“矽”。

元素符号Si，旧称矽，原子序数14，相对原子质量28.09，有无定形和晶体两种同素异形体。

晶体硅为钢灰色，无定形硅为黑色，密度2.4g／cm3，熔点1420℃，沸点2355℃，晶体硅属于原子晶体，硬而有光泽，有半导体性质。硅的化学性质比较活泼，在高温下能与氧气等多种元素化合，不溶于水、硝酸和盐酸，溶于氢氟酸和碱液，用于造制合金如硅铁、硅钢等，单晶硅是一种重要的半导体材料，用于制造大功率晶体管、整流器、太阳能电池等。硅在自然界分布极广，地壳中约含27.6％，主要以二氧化硅和硅酸盐的形式存在。

硅，原子序数14，原子量28.0855，元素名来源于拉丁文，原意是“燧石”。1823年瑞典化学家贝采利乌斯首先分离和描述硅元素。硅约占地壳总重量的27.72%，仅次于氧。自然界中的硅都以含氧化合物的形式存在。常见的有石英、水晶、沙子等。

硅有晶态和无定形两种形式。晶态硅具有金刚石晶格，硬而脆，熔点1410°C，沸点2355°C，密度2.32～2.34克/厘米³,硬度为7。无定形硅是一种灰黑色粉末，实际是微晶体。晶态硅的电导率不及金属，且随温度升高而增加，具有明显的半导体性质。

硅在常温下不活泼，与空气、水和酸等没有明显作用；在加热下，能与卤素反应生成四卤化硅；650°C，时硅开始与氧完全反应；硅单质在高温下还能与碳、氮、硫等非金属单质反应；硅可间接生成一系列硅的氢化物；硅还能与钙、镁、铁等化合，生成金属硅化物。

超纯的单晶硅可作半导体材料。粗的单晶硅及其金属互化物组成的合金，常被用来增强铝、镁、铜等金属的强度。

参考资料：http://baike.baidu.com/view/4748.htm

刚好前几天看文献的时候看到了quantum confinement这个词，就来好好理一理这个量子限域到底是啥。

量子限域效应由日本的久保等人在1961年提出，即金属离子的尺寸小于等于激子玻尔半径时，其费米能级附近的电子能级会由准连续变成离散能级，纳米半导体微粒存在不连续的最高已占分子轨道和最低未占分子轨道能级能隙变宽。

什么是激子玻尔半径呢？

激子是固体中受到我们高中都学过的库仑力的束缚的电子-空穴对，是一种准粒子，寿命很短。

在半导体吸收光子后，电子跃迁到导带，价带内则产生一个空穴，这两个电荷相反的粒子受到库仑力相互吸引，在一定条件下他们会相遇并束缚在一起，便会成为激子。

玻尔半径也是我们高中学过的选修3-5中玻尔模型中的电子轨道半径，虽然其模型并不完全正确，但是仍然可以借助其进行计算。

那么激子玻尔半径自然就算电子空穴对的基态轨道半径了。

那什么是费米能级呢？

在我们高中的化学知识——泡利不相容原理的束缚下，每个能级只能容纳两个自旋方向相反的例子，因此如果很多粒子的话，将其填充进轨道所需的能量就越来越高，最高处便是费米能级。

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