从零维到三维材料，分清了吗？学术资讯

来源：研之成理

纳米材料是指在某些方向上尺度为纳米尺度（1~100nm）的一类材料，在这些方向上电子的运动受到限制。纳米材料具有尺寸小、比表面积高、表面原子配位不饱和…等特征，从而表现出一些奇特的现象：如小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等等，在催化、光吸收、光电化学以及新材料等方面具有广泛的应用。按电子运动受限的程度，纳米材料可以分为：零维、一维、二维以及三维材料。

零维纳米材料：是指电子在三个维度上的运动都受到限制，即电子在三个维度上均无法自由运动的材料，如量子点、单原子、纳米晶等等，统称为量子点；

一维纳米材料：是指电子在二个维度上的运动受到限制，即电子能在一个维度上自由运动，比如碳纳米管、纳米线、纳米带（宽度较小）等等，统称为量子线；

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二维纳米材料：是指电子在一个维度上的运动受到限制，即电子能在二个维度上自由运动，比如纳米薄膜、石墨烯、MXene材料、层状氮化硼（BN）、层状二硫化钼（MoS2）、层状二硫化钨（WS2）等等，统称量子阱；

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三维纳米材料：是指电子在零个维度上的运动受到限制，即电子能在三个维度上均可以自由运动，比如块状体相材料等等。

关于零维、一维、二维、三维材料的区别，可以通过求解薛定谔方程进一步理解。如果某种材料在某个方向上尺度很小，则在此方向上基态能量和第一激发态的能量相差很大（尺度越小，电子所受的限制越严重，能差越大），低温下几乎所有的电子都集中于基态，因此在分析时可以忽略这个方向的维度。比如，对电子满足的薛定谔方程进行分离变量求解（Eq. 1），求得z方向上的波函数为Φ0(z)、Φ1(z)…,对应的本征能量为Ez0、Ez1…如果Ez0、Ez1的能差非常大，则在低温下大部分电子集中于基态，此时波函数可以写成Ψ(x,y)Φ0(z)，z方向的维度可以忽略。上述效应通常叫做量子限域效应（Quantum Confinement）。

Eq. 1:

不同维度的材料及其态密度分布示意

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