تمتلك المواد النانوية خصائص الكترونية تعتمد بشكل كبير على حجمها وبنيتها. هذا من ناحية يجعل المواد النانوية لجزيئات البناء للتجميع من الأسفل إلى الأعلى للأجهزة الإلكترونية النانوية بسبب الخصائص القابلة للضبط، تستخدم الخصائص الإلكترونية، مثل: طاقة مجال HOMO-LUMO، وحرارة التكوين، والطاقة الإجمالية يتم تطبيقها حاليًا في كثير من الأحيان على المواد النانوية نظرًا لوجود علاقة بين الحجم والخاصية على الأقل بالنسبة لبعض الخصائص، يُطرح السؤال عما إذا كانت هناك إمكانية لوصف هذه العلاقة عن طريق طرق القياس الكيميائي. ومن ثم، بافتراض أنه ستكون هناك إمكانية لتطوير نموذج العلاقات الخطية بتطبيق النتائج المحسوبة لسلسلة من المجموعات الجزيئية الصغيرة، يمكن للمرء عن طريق هذه النماذج تقدير خاصية جسيم نانوي أكبر حجمًا تعتبر الخصائص مثل الموصلية أو المقاومة تحت فئة الخواص الكهربائية على غرار الخصائص البصرية أو المغناطيسية، لوحظ أن هذه الخصائص تتغير أيضا على مستوى المقياس النانوي تتعلق الخواص الكهربائية للمواد النانوية بشكل أساسي بتنقل حاملات الشحنة. عندما يتم تقليل أبعاد المادة إلى نطاق نانومتر، لا بد أن يحدث تأثير الحجم الكمي وتأثير الحبس الكمي. بسبب تكميم طاقة الإلكترون، يمكن تحويل بعض الجسيمات النانوية المعدنية الموصلة إلى مادة غير موصلة تحت جهد معين على سبيل المثال، يمكن أن تفقد المعادن المستخدمة كموصلات مثل النحاس قدرتها على التوصيل إذا تم تقليل حجمها إلى بضعة نانومتر، في حين أن المواد العازلة مثل ثاني أكسيد السيليكون تحت تصغير الحجم ستفقد خصائصها العازلة وتصبح موصلة. زيادة الذرات أو الأيونات البينية، وإغراق كمية كبيرة من العيوب بالقرب من حدود الحبيبات، وحجم الحبيبات، والشوائب المنشطة تتحكم بشكل كبير في الخواص العازلة والمقاومة والنقل الكهربائي للمواد النانوية. تكون الموصلية الكهربائية للمواد النانوية أقل عمومًا من المواد الاولية بسبب زيادة طاقة فجوة النطاق مع انخفاض حجم الجسيمات في المواد النانوية، خاصة بالنسبة للمواد النانوية شبه الموصلة. فمثلا، نظرًا لأن نطاقات الطاقة تتوقف عن التداخل في نطاق 2-3 نانومتر، على الرغم من كونها معدنية، تتوقف جزيئات الذهب النانوية عن أن تكون موصلة وتتحول إلى عوازل. تمثل فجوة النطاق نطاقا للطاقة في مادة صلبة، حيث لا يُسمح بحالات الإلكترون. لذا فإن وجود ملف مباشر تعني فجوة النطاق أن الحد الأدنى (أدنى حالة طاقة) لنطاق التوصيل يقع مباشرة فوق الحد الأقصى (أعلى حالة طاقة لنطاق التكافؤ في مساحة الزخم. فجوة النطاق الكهربائية تعني الفرق بين الجزء العلوي من نطاق التكافؤ - HOMO) أعلى مداري جزيئي مشغول )وقاع نطاق التوصيل - LUMO) أدنى مدار جزيئي غير مشغول , يتم التحكم في التوصيل الكهربائي بشكل أساسي من خلال هذا التباعد بين مستويات الطاقة المجاورة. يعتمد التركيب الإلكتروني للجسيمات النانوية بشكل حاسم على حجم الجسيمات. تقليل الحجم في الكتلة النانوية المنفصلة التي تتألف من عدد قليل جدًا من الذرات، يتناقص عدد حالات الطاقة، وبالتالي يؤدي التباعد المتزايد بين مستويات الطاقة المجاورة إلى حدوث تحول في الخصائص الموصلة للعنقود النانوي، من المعدن إلى أشباه الموصلات والعزل. يوضح الشكل 15.10 تحول الخواص الموصلة من المعدن إلى أشباه الموصلات / العازلة في العناقيد النانوية المنفصلة. هذه الحقيقة صالحة فقط للمواد النانوية OD، بينما بالنسبة للمواد النانوية 1D أو 2D، مثل الأسلاك النانوية أو الأنابيب النانوية، قد تزيد الموصلية الكهربائية بالنسبة إلى نسبة العرض إلى الارتفاع والترتيب في بنية المواد النانوية. ترقق ميكانيكي أو تقليل قطر الأسلاك النانوية بشكل ثابت الجهد المطبق أصبح عدد أنماط موجة الإلكترون المساهمة في التوصيل الكهربائي أصغر بشكل متزايد من خلال خطوات كمية محددة جيدًا. عندما يقل قطر الأسلاك النانوية عن 20 نانومتر، بسبب زيادة تشتت السطح للإلكترونات والفونونات، وزيادة مساحات السطح، والكثافة العالية جدًا للحالات الإلكترونية، تزداد موصلية الأسلاك النانوية بشكل مفاجئ مقارنة بالمواد السائبة. تُظهر الأنابيب النانوية الكربونية أيضًا نطاقا واسعا من السلوك الكهربائي بدءًا من العزل وأشباه الموصلات والمعدنية إلى الموصلية الفائقة اعتمادًا على تركيبها الكيميائي وهيكلها البلوري وحجمها. باختصار، سيؤدي تقليل أبعاد المواد إلى زيادة الكمال البلوري أو تقليل العيوب، مما يؤدي إلى تقليل تشتت الخلل، وبالتالي تقليل المقاومة والتوصيل. في هذا الفصل، قدمنا نظرة عامة تفصيلية على المواد النانوية وأنواعها وخصائصها الفيزيوكيميائية نظرا لحجم النانومتر، تقدم المواد النانوية مجموعة واسعة من الخصائص الجديدة اعتمادًا على الحجم والشكل والتركيبات الكيميائية. تشكل هذه الخصائص المعتمدة على الحجم أساس علم النانو، حيث يتم استغلال الخصائص للتطبيقات الممكنة. على الرغم من أن المواد النانوية مفيدة للعديد من التطبيقات إلا أنه لا تزال هناك بعض المخاوف المتعلقة بالمخاطر الصحية بسبب استخدامها غير الخاضع للسيطرة وتفريغها في البيئة الطبيعية، والتي يجب أخذها في الاعتبار للاستفادة منها بطريقة أكثر ملاءمة وصديقة للبيئة

الشكل (20.1) تجزئة مستوى الطاقة واتساع فجوة النطاق مع تناقص حجم بلورة أشباه الموصلات بسبب الحصر الكمي