2. Електричні властивості об'ємних наноструктур.

Надзвичайно розвинуті границі розділу і висока концентрація дефектів обумовлюють інтенсивне розсіювання носіїв струму в наноматеріалах. Значне підвищення питомого електроопіру нанокристалічних Cu, Pd, Ni, Fe і різних сплавів при зменшенні розміру зерен виявлено багатьма дослідниками.

Можна показати, що

2.1

де - питомий опір нанокристалічного матеріалу; - питомий опір грубозернистої речовини; - довжина вільного пробігу електронів у бездефектному монокристалі; - середній розмір зерна; r - коефіцієнт розсіювання електронів при переході міжзеренної границі.

Фізично величина / означає число міжзеренних границь, що перетинає електрон. Оскільки коефіцієнт розсіювання 0 < r < 1, то з формули випливає, що зі зменшенням розміру зерен опір нанокристалічного матеріалу повинний зростати. Саме така залежність електроопіру нанокристалічного компактованого nc-Pd (nc означає нанокристалічний зразок, отриманий компактуванням з нанокристалічного порошку) від розміру зерен спостерігалася експериментально.

Питомий електроопір nc-Cu (D=7нм) в області температур 0<T<275 К в 7-20 разів вище, ніж звичайної грубозернистої міді. При Т≥100⁰ С питомий опір звичайної міді і nc-Cu лінійно зростає при збільшенні температури, однак для nc-Cu величина більше, ніж для звичайної міді. Аналіз експериментальних залежностей показав, що коефіцієнт розсіювання електронів на границях зерен nc-Cu дорівнює r=0,467 при 100⁰ С, а для грубозернистої міді r=0,24, тобто в 2 рази менше. Іншою причиною підвищеного опору nc-Cu може бути мала середня довжина вільного пробігу електрона. Для nc-Cu l= 4,7 нм, а для грубозернистої міді l= 44 нм.

Вивчення опору нанокристалічних плівок Co товщиною від 2 до 50 нм показало, що величина ρ майже не залежить від температури, зменшується з ростом товщини плівки і більше, ніж ρ масивного кобальту.

Великий опір і близький до нуля температурний коефіцієнт опору нанокристалічних плівок Co є наслідком часткової локалізації електронів, коли розміри зерен стають менше довжини вільного пробігу електронів. Локалізація впливає на електропровідність сильніше, ніж збільшення розсіювання носіїв заряду на границях розділу, тому що приводить до зменшення концентрації носіїв заряду. У результаті зменшення розміру кристалітів приводить до росту локалізації і зменшенню концентрації носіїв і тим самим – до збільшення електроопіру.

Таким чином, зменшення розмірів зерен супроводжується втратою металевих властивостей і переходом у непровідний стан.

Для субмікрокристалічних Cu, Ni, Fe з розміром зерна 100-200 нм також спостерігається збільшення опору в порівнянні з грубозернистими матеріалами.

При 80⁰ С питомий опір субмікрокристалічної міді майже в 2 рази більше, ніж ρ грубозернистої міді, що обумовлено більш високим коефіцієнтом розсіювання електронів на нерівноважних границях зерен: для субмікрокристалічної міді r=0,29-0,32 замість r=0,24 для рівноважних границь грубозернистої міді.

У результаті відпалу при 420-470⁰ С відбувається різке падіння ρ ; при подальшому підвищенні температури відпалу питомий опір повільно зменшується.

Різке зменшення ρ в результаті відпалу при 420-470⁰ С обумовлено релаксацією границь зерен і їхнім переходом з напруженого нерівноважного стану в рівноважний стан. Наступне повільне зменшення ρ є наслідком росту зерен.