东南大学纳米物理：1.基本特性.pdf

1 1 第一章 绪论第一章 绪论 二 纳米材料的基本特性 二 纳米材料的基本特性 2 1 小尺寸效应 小尺寸效应 纳米材料尺寸与光波波长 德布罗意波长以及相干长度等相 当或更小时 导致声 光 电磁 热力学等物性呈现新的小 尺寸效应 纳米材料尺寸与光波波长 德布罗意波长以及相干长度等相 当或更小时 导致声 光 电磁 热力学等物性呈现新的小 尺寸效应 2 表面和界面效应表面和界面效应 3 量子尺寸效应量子尺寸效应 4 宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应 小尺寸熔化效应 晶体 熔点随粒径减小而降低 小尺寸熔化效应 晶体 熔点随粒径减小而降低 3 磁性纳米材料的高矫顽力或超顺磁性磁性纳米材料的高矫顽力或超顺磁性 大块磁体 大块磁体 铁磁材料由一个个小磁畴构成 每个磁畴内磁场同向外加磁场时 同外磁场同向的磁畴扩大 不同向的缩小 铁磁材料由一个个小磁畴构成 每个磁畴内磁场同向外加磁场时 同外磁场同向的磁畴扩大 不同向的缩小 高矫顽力 高矫顽力 若铁磁纳米颗粒刚好比单个磁畴大 则无法通过磁畴扩大来改变磁场方向 必须整个改变方向 需要更高的能量 若铁磁纳米颗粒刚好比单个磁畴大 则无法通过磁畴扩大来改变磁场方向 必须整个改变方向 需要更高的能量 超顺磁性 超顺磁性 若纳米颗粒较小无法形成磁畴 则较容易整体改变方向 若纳米颗粒较小无法形成磁畴 则较容易整体改变方向 4 小尺寸导致的力学增强小尺寸导致的力学增强 固体材料的断裂主要来源于其中的位 错 当受力时位错快速扩大导致材料 断裂 固体材料的断裂主要来源于其中的位 错 当受力时位错快速扩大导致材料 断裂 纳米材料中位错较少 而且其中 一根纤维的位错不会影响到其他 纤维 大大降低位错影响 最佳 单分子链结构 纳米材料中位错较少 而且其中 一根纤维的位错不会影响到其他 纤维 大大降低位错影响 最佳 单分子链结构 碳纳米管做缆绳 的天梯 碳纳米管做缆绳 的天梯 普通钢材 底部必须是直径 358千米粗的柱子 碳纳米管 普通钢材 底部必须是直径 358千米粗的柱子 碳纳米管 5 2 表面与界面效应 高比例的表面原子 2 表面与界面效应 高比例的表面原子 表面原子表面原子 内部 原子 内部 原子 由于粒子尺寸减小时 表面 积增大 使处于表面的原子 数也急剧增加 由于粒子尺寸减小时 表面 积增大 使处于表面的原子 数也急剧增加 纳米微粒尺寸与表面原子数的关系纳米微粒尺寸与表面原子数的关系 表面比例总原子数直径表面比例总原子数直径 99 301 80 2 5 1022 40 4 1034 20 3 10410 高表面原子高表面原子 体原子比例体原子比例 6 纳米微粒尺寸与表面原子数的关系纳米微粒尺寸与表面原子数的关系 纳米微粒尺寸纳米微粒尺寸 nm nm 包含总原子数表面原 子所占比例 包含总原子数表面原 子所占比例 1 0 4 2 1 20 40 80 99 4 103 3 104 2 105 2 30 高表面原子高表面原子 体原子比例体原子比例 2 7 表面面积随粒径减小而迅速增加表面面积随粒径减小而迅速增加 把边长为1cm的立方体逐渐分割减小的立方体 总 表面积将明显增加 把边长为1cm的立方体逐渐分割减小的立方体 总 表面积将明显增加 6 6 105 6 106 6 107 1 cm2 10 8cm2 10 12cm2 10 14cm2 1 1015 1018 1021 1 cm 10 5cm 100 nm 10 6cm 10 nm 10 7cm 1 nm 总表面积cm总表面积cm2 2每面面积立方体数边长每面面积立方体数边长 GSSg 随着粒径减小 表面原子数迅速增加 总表面积急剧变大 随着粒径减小 表面原子数迅速增加 总表面积急剧变大 比表面积增大比表面积增大 例如 例如 粒径为10nm时 比表面积为90m粒径为10nm时 比表面积为90m2 2 g g 粒径为5nm时 比表面积为180m粒径为5nm时 比表面积为180m2 2 g g 粒径到2nm时 比表面积猛增到450m粒径到2nm时 比表面积猛增到450m2 2 g 比表面积常用总 表面积与质量或 总体积的比值表 示 g 比表面积常用总 表面积与质量或 总体积的比值表 示 8 表面活性和表面能表面活性和表面能 表面原子配位不足 存在许多悬空键 具有较高的表面能 表面存在大量活性中心 极易与其他原 子相结合而趋于稳定 具有很高的化学 活性 纳米体系的化学性质特别活泼 可提高 反应速度 优化反应路径 例如 表面原子配位不足 存在许多悬空键 具有较高的表面能 表面存在大量活性中心 极易与其他原 子相结合而趋于稳定 具有很高的化学 活性 纳米体系的化学性质特别活泼 可提高 反应速度 优化反应路径 例如 金属的纳米粒子在空气中会自燃 需要钝化处理金属的纳米粒子在空气中会自燃 需要钝化处理 无机的纳米粒子暴露在空气中会吸附气体 并与气体进行反应无机的纳米粒子暴露在空气中会吸附气体 并与气体进行反应 大块铂 Pt 不具有催化活性 纳米铂是非常有用的催化剂大块铂 Pt 不具有催化活性 纳米铂是非常有用的催化剂 纳米多孔材料是良好的吸附剂 储氢材料 气体吸附等载体 纳米多孔材料是良好的吸附剂 储氢材料 气体吸附等载体 9 表 界 面效应的主要影响 表 界 面效应的主要影响 1 表面化学反应活性 可参与反应 2 催化活性 3 纳米材料的 不 稳定性 4 铁磁质的居里温度降低 5 熔点降低 6 烧结温度降低 7 晶化温度降低 8 纳米材料的超塑性和超延展性 9 介电材料的高介电常数 界面极化 10 吸收光谱的红移现象 1 表面化学反应活性 可参与反应 2 催化活性 3 纳米材料的 不 稳定性 4 铁磁质的居里温度降低 5 熔点降低 6 烧结温度降低 7 晶化温度降低 8 纳米材料的超塑性和超延展性 9 介电材料的高介电常数 界面极化 10 吸收光谱的红移现象 10 界面原子扩散快 活性高界面原子扩散快 活性高 受力时界面容易滑移受力时界面容易滑移 陶瓷增韧和超塑性 超延展性 熔点 开始烧结温度和晶化温 度均比常规粉体的低得多 陶瓷增韧和超塑性 超延展性 熔点 开始烧结温度和晶化温 度均比常规粉体的低得多 纳米材料组成固体的界面效应纳米材料组成固体的界面效应 纳米结构材料剖面示意图 实心球纳米结构材料剖面示意图 实心球纳米结构材料剖面示意图 实心球纳米结构材料剖面示意图 实心球 表示体相原子 空心球表示界面原表示体相原子 空心球表示界面原表示体相原子 空心球表示界面原表示体相原子 空心球表示界面原 子 子 子 子 块体的脆性断裂示意图块体的脆性断裂示意图块体的脆性断裂示意图块体的脆性断裂示意图 11 3 量子尺寸效应 3 量子尺寸效应 经典力学中被势阱束缚的物体无 法跳出势阱 量子效应让电子有一定穿过势阱 的几率 电子在纳米材料中运动受到限 制 相当于被势阱束缚的电子 设自由电子局域在边长为 经典力学中被势阱束缚的物体无 法跳出势阱 量子效应让电子有一定穿过势阱 的几率 电子在纳米材料中运动受到限 制 相当于被势阱束缚的电子 设自由电子局域在边长为L的立方体内 电子能级 在费米能级附近 相邻能级差 的立方体内 电子能级 在费米能级附近 相邻能级差 2 1 0 22 2 3 2 2 2 1 2 222 i n n nnnn Lm h m k E h 2 2 2 Lm h 随着尺寸减小 相邻能级 差变大 准连续的能带变 为分离的能级 随着尺寸减小 相邻能级 差变大 准连续的能带变 为分离的能级 12 如二维薄膜中 沿着膜表面方向二维自由电子 另一维处在 势阱中相当于一维势阱 纳米线中的电子沿长度方向则为自由电子 另两维处在二维势阱中 纳米颗粒中的电子相当于处在球形势阱中 如二维薄膜中 沿着膜表面方向二维自由电子 另一维处在 势阱中相当于一维势阱 纳米线中的电子沿长度方向则为自由电子 另两维处在二维势阱中 纳米颗粒中的电子相当于处在球形势阱中 3 13 纳米材料 尺度和波 函数关系 纳米材料 尺度和波 函数关系 块体 2D量 子阱 1D量 子线 0D量 子点 3D Bulk 2D QW 21 EE constant 2 h mE 1D QWR 0D QD 21 EE EE 二维薄膜 膜表面方向二维自由电子 垂直膜方向相当于一维势阱 纳米线 电子沿长度方向则为自由电子 另两维处在二维势阱中 纳米颗粒 电子相当于处在球形势阱中 二维薄膜 膜表面方向二维自由电子 垂直膜方向相当于一维势阱 纳米线 电子沿长度方向则为自由电子 另两维处在二维势阱中 纳米颗粒 电子相当于处在球形势阱中 14 纳米材料的能级纳米材料的能级 大块材料中的连续的能带分裂为分 立的能级 大块材料中的连续的能带分裂为分 立的能级 能级间的距离随颗粒尺寸减小而增 大 能级间的距离随颗粒尺寸减小而增 大 能隙变宽能隙变宽 能级间隔增大 费米能级附近的电子移动困难 电阻率增大 从而使能隙变宽 金属导体将变为绝缘体 能级间隔增大 费米能级附近的电子移动困难 电阻率增大 从而使能隙变宽 金属导体将变为绝缘体 10 15纳米的银颗粒电阻上升 变成非导体纳米的银颗粒电阻上升 变成非导体 甲苯溶液中的甲苯溶液中的 CdSe 纳米晶 体 纳米晶 体 15 4 宏观量子隧道效应 4 宏观量子隧道效应 一些宏观量 亦具有量子隧道效应 称为为宏观量子隧道效应 如 磁通量子化 量子相干器件 约瑟夫森效应 一些宏观量 亦具有量子隧道效应 称为为宏观量子隧道效应 如 磁通量子化 量子相干器件 约瑟夫森效应 约瑟夫逊结 用两个超导体约瑟夫逊结 用两个超导体 S1和和S2 中间隔着一层绝缘膜 约 中间隔着一层绝缘膜 约2nm 形成弱连接 电子量子隧穿过绝缘膜 直流约瑟夫逊效应 通过结的最大电流和磁场成正比 交流约瑟夫逊效应 当电压施加于二超导体电极上时 超导的库伯对可以 通 过隧道效应从 形成弱连接 电子量子隧穿过绝缘膜 直流约瑟夫逊效应 通过结的最大电流和磁场成正比 交流约瑟夫逊效应 当电压施加于二超导体电极上时 超导的库伯对可以 通 过隧道效应从S1移到移到S2 或相反 形成振荡电流 外加电场可控制振荡电流的大小 或相反 形成振荡电流 外加电场可控制振荡电流的大小 16 超导约瑟夫逊效应 1 小于零界电流时结呈现零电阻状态 2 对磁场非常敏感 1 2磁通量子就可让通过结的电流从极小到极大 可用来测微小磁场 10 超导约瑟夫逊效应 1 小于零界电流时结呈现零电阻状态 2 对磁场非常敏感 1 2磁通量子就可让通过结的电流从极小到极大 可用来测微小磁场 10 11 11 10 10 13 13T分辨率 3 结两端加直流电压时两端出现交变电流 可用来探测微弱电磁信号和仪器校正 T分辨率 3 结两端加直流电压时两端出现交变电流 可用来探测微弱电磁信号和仪器校正 h eVf 超导量子干涉 器 SQUID 原理 超导量子干涉 器 SQUID 原理 17 电容器所储存的电场能为 电容器所储存的电场能为 对于孤立导体 其电位差是指相对于地球的电势 若其电量为q 则距离r处的电场强度为 对于孤立导体 其电位差是指相对于地球的电势 若其电量为q 则距离r处的电场强度为 QVU 2 1 2 0 4r q E E dq 5 库仑堵塞 5 库仑堵塞 球形导体的电位 相对于地球 为 球形导体的电位 相对于地球 为 孤立小导体电容 孤立小导体电容 则把它充电时 需作功 则把它充电时 需作功 R q drrqdrE RR r 0 2 0 4 4 R V q C 0 4 R q qU 0 2 82 1 R 100 nm时 时 Ec 2 10 21焦耳焦耳 kBT 18 库仑堵塞效应库仑堵塞效应 当对一个小体系充电时 由可知 当对一个小体系充电时 由可知 球体半径R越小 充相同电量的电 所需作功越大 球体半径R越小 充相同电量的电 所需作功越大 R q U 0 2 8 当导体尺度进入纳米尺度时 充放电过程很难进行 或充 放电过程变 得不能连续进行 即体系变得电荷量子化 这个能量称为库