量子サイズ効果とは

正解：C. バンドギャップが大きくなり、短波長側(青の側)へずれる

粒径が、電子と正孔の広がりの目安である励起子のボーア半径(CdSeで約5〜6 nm)と同じ程度以下になると、キャリアが狭い空間に閉じ込められて、エネルギー準位がとびとびになって間隔が広がります。これが量子サイズ効果で、粒径が小さいほど実効的なバンドギャップが大きくなり、発光は短波長側(青の側)へずれます。そのため同じ材料でも粒径を変えるだけで発光色を調整でき、ディスプレイの色変換などに使われます。小さくするとギャップが小さくなるという選択肢は逆の誤りです。バルクと同じ色になるのは、粒径がボーア半径より十分大きい場合です。

正解：A. 表面の原子の割合が増え、表面エネルギーの分だけ固体の自由エネルギーが高くなり、液体が低温で安定になるから

表面の原子は結合の一部を失っているので、粒子の自由エネルギーには表面エネルギーの項が加わります。粒径が小さいほど表面の原子の割合が増え、固体の自由エネルギーが押し上げられるので、固体と液体の自由エネルギーが等しくなる温度、つまり融点が下がります(ギブス・トムソン効果)。固体と液体の界面エネルギーを考えると、融点の低下量はおおよそ粒径に反比例します。量子サイズ効果は電子のエネルギー準位の話で、金属の融点降下の主因ではありません。また、ナノ粒子では融解熱はむしろ小さくなる傾向があり、「融解熱が大きくなるから融けやすい」という理屈は逆向きです。