纳米材料及其光学特性.doc

纳米材料及其光学特性美国著名物理学家，1965年诺贝尔物理奖获得者R.P Feynman在1959年曾经说过：“如果有一天能按人的意志安排一个个原子和分子将会产生什么样的奇迹”，纳米科学技术的诞生将使这个美好的设想成为现实。 纳米材料是纳米科学技术的一个重要的发展方向。纳米材料是指由极细晶粒组成，特征维度尺寸在纳米量级（1100nm）的固态材料。由于极细的晶粒，大量处于晶界和晶粒内缺陷的中心原子以及其本身具有的量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应等，纳米材料与同组成的微米晶体（体相）材料相比，在催化、光学、磁性、力学等方面具有许多奇异的性能，因而成为材料科学和凝聚态物理领域中的研究热点。1 纳米材料的分类和结构 根据不同的结构，纳米材料可分为四类，即：纳米结构晶体或三维纳米结构；二维纳米结构或纤维状纳米结构；一维纳米结构或层状纳米结构和零维原子簇或簇组装。纳米材料的分类如图表1所示。纳米材料包括晶体、赝晶体、无定性金属、陶瓷和化合物。维数 标记 典型合成法三维 晶体 气体凝结 机械合金二维纤维状化学气相沉积一维 层状 气相沉积 电沉积零维 簇 溶胶-凝胶表1 纳米材料分类 2 纳米材料的光学性质 纳米材料在结构上与常规晶态和非晶态材料有很大差别，突出地表现在小尺寸颗粒和庞大的体积百分数的界面，界面原子排列和键的组态的较大无规则性。这就使纳米材料的光学性质出现了一些不同于常规材料的新现象。 纳米材料的光学性质研究之一为其线性光学性质。纳米材料的红外吸收研究是近年来比较活跃的领域，主要集中在纳米氧化物、氮化物和纳米半导体材料上，如纳米Al2O3、Fe2O3、SnO2中均观察到了异常红外振动吸收，纳米晶粒构成的Si膜的红外吸收中观察到了红外吸收带随沉积温度增加出现频移的现象，非晶纳米氮化硅中观察到了频移和吸收带的宽化且红外吸收强度强烈地依赖于退火温度等现象。对于以上现象的解释基于纳米材料的小尺寸效应、量子尺寸效应、晶场效应、尺寸分布效应和界面效应。目前，纳米材料拉曼光谱的研究也日益引起研究者的关注。 半导体硅是一种间接带隙半导体材料，在通常情况下，发光效率很弱，但当硅晶粒尺寸减小到5nm或更小时，其能带结构发生了变化，带边向高能态迁移，观察到了很强的可见光发射。研究纳米晶Ge的光致发光时，发现当Ge晶体的尺寸减小到4nm以下时，即可产生很强的可见光发射，并认为纳料晶的结构与金刚石结构的Ge 不同，这些Ge纳米晶可能具有直接光跃迁的性质。Y.Masumato发现掺CuCl纳米晶体的NaCl在高密度激光下能产生双激子发光,并导致激光的产生,其光学增益比CuCl 大晶体高得多。不断的研究发现另外一些材料，例如Cds、CuCl、ZnO、SnO2、Bi2O3、Al2O3、TiO2、SnO2、Fe2O3、CaS、CaSO4等，当它们的晶粒尺寸减小到纳米量级时，也同样观察到常规材料中根本没有的发光观象。纳米材料的特有发光现象的研究目前正处在开始阶段，综观研究情况，对纳米材料发光现象的解释主要基于电子跃迁的选择定则，量子限域效应，缺陷能级和杂质能级等方面。 纳米材料光学性质研究的另一个方面为非线性光学效应。纳米材料由于自身的特性，光激发引发的吸收变化一般可分为两大部分：由光激发引起的自由电子-空穴对所产生的快速非线性部分；受陷阱作用的载流子的慢非线性过程。其中研究最深入的为CdS纳米微粒。由于能带结构的变化，纳米晶体中载流子的迁移、跃迁和复合过程均呈现与常规材料不同的规律，因而其具有不同的非线性光学效应。 纳米材料非线性光学效应可分为共振光学非线性效应和非共振非线性光学效应。非共振非线性光学效应是指用高于纳米材料的光吸收边的光照射样品后导致的非线性效应。共振光学非线性效应是指用波长低于共振吸收区的光照射样品而导致的光学非线性效应，其来源于电子在不同电子能级的分布而引起电子结构的非线性，电子结构的非线性使纳米材料的非线性响应显著增大。目前，主要采用Z-扫找（Z-SCAN）和DFWM技术来测量纳米材料的光学非线性。 此外，纳米晶体材料的光伏特性和磁场作用下的发光效应也是纳米材料光学性质研究的热点。通过以上两种性质的研究，可以获得其他光谱手段无法得到的一些信息。3 结束语 总之，纳米材料具有体材料不具备的许多光学特性。已有的研究表明，利用纳米材料的特殊光学性质制成的光学材料将在日常生活和高科技领域内具有广泛的应用前景。例如纳米SiO2光学纤维对波长大于600nm的光的传输损耗小于10dB/km，此值比SiO2体材料的光传输损耗小许多倍。纳米红外反射材料在灯泡工业上有很好的应用前景。利用纳米材料对紫外的吸收特性而制作的日光灯管不仅可以减少紫外光对人体的损害，而且可以提高灯管的使用寿命。此外，我们的研究结果表明，作为光存储材料时，纳米材料的存储密度明显高于体材料。综上所述，尽管纳米材料光学特性的研究已取得了不少进展，对其光学特性的应用也取得了一定的成绩，但还有许多问题需要继续深入系统地研究，如纳米材料不同于体材料的吸收、拉曼、发光等特性产生的理论根源和上述特性的理论研究，纳米材料的非线性强度如何在受限条件下随颗粒尺寸变化，如何通过表面修饰来获得所具有一定光学特性的纳米材料等。另外，所研究的纳米材料的范围也不够广泛，纳米材料的应用研究还刚刚开始。总之，纳米材料光学特性的研究及应用仍然十分欠缺。纵观纳米材料光学特性的研究概况，我们认为纳米材料光学特性研究的主要方向为：通过纳米材料各种谱学方面的研究，探讨和揭示纳米材料结构上的特点，如不连续能带结构，杂质能级等，建立模型，从理论上探讨其光学特性产生的根源；树立“功能”意识，利用诸如表面修饰手段，通过人工合成，以获得具有特殊性能和用途的纳米复合材料。柿饼外的白粉是什么 在新鲜的柿子里含有大量水分，还含有葡萄糖和果糖等，当它被晒成柿饼时，水分逐渐蒸发，果肉里所含的葡萄糖和果糖随着渗透到表皮上来，这两种糖的性质不一样，果糖味道很甜，容易吸收水分，在它渗透到柿饼的表面时，就抓住空气中的水分，黏附在柿饼的表皮上，类似蜜饯外面的糖浆，葡萄糖的甜味不如果糖，但却不容易抓住空气中的水分，它渗透到柿饼的表皮上时，就成为一层白色的粉末，正好把黏附的果糖包住，使得整个柿饼都是干燥的，原来这层白粉是葡萄糖粉末。碘与指纹破案在电影中常常看到公安人员利用指纹破案的情节。其实，只要我们在一张白纸上面用手指按一下，然后把纸上手指按过的地方对准装有少量碘的试管口，并用酒精灯加热试管底部。等到试管中升华的紫色碘蒸气与纸接触之后，按在纸上的平常看不出来的指纹就会渐渐地显示出来，并可以得到一个十分明显的棕色指纹。如果把这张白纸收藏起来，数月之后再做上面的实验，仍能将隐藏在纸面上的指纹显示出来。 这是因为，每个人的指纹并不完全相同，而手指上总含有油脂、矿物油和汗水等。当用手指入纸上面按的时候，指纹上的油脂、矿物油和汗水就会留在纸面上，只不过是人的眼睛看不出来罢了。而纯净的碘是一种紫黑色的晶体，并有金属光泽。有趣的是，绝大多数物质在加热时，一般都有固态、液态和气态的三态变化。而碘却一反常态，在加热是能够不经过液态直接变成蒸气。象碘这类固体物质直接气化的现象，人们称之为升化华。同时碘还有易溶于有机溶剂的特性。由于指纹含有油脂、汗水等有机溶剂，当碘蒸气上升遇到这些有机溶剂时，就会溶解其中，因此指纹也就显示出来了生命需要他磷 对于生命来说，缺磷是不可想象的。人的大脑里含有磷脂。磷，因此被称为“生活和思维的元素”。支撑人体的骨骼，化学成分便是磷酸盐。 人和动物非常需要磷，植物也非常需要磷。磷肥能够帮助庄稼的幼芽与幼根的生长，促进幼苗的发育，促进开花结实，使庄稼早成熟，籽粒饱满，结的果实又大又甜。 人体内的磷参与许多重要生理功能，如糖和脂肪的吸收以及代谢都需要磷。另外，对能量的转移和酸碱平衡的维持有重要作用。 磷的名字却有一段有趣的来历。金星比我们的地球更靠近太阳。当金星在太阳以西时，早晨金星比太阳早到达东方的地平线。当太阳出山时，他已闪耀在东方的上空。那时他就是“晨星”，在希腊语中为Phosphoros。意为“光亮”。当炼金术士从尿中分离能在暗处发光的物质时，称该物质为phophorus,他一度曾是那棵晨星的名字现在却成了磷这种元素的名字。 人体的磷来自植物。人体钙和磷是好朋友。钙满足需要，磷也会满足需要。由于食物种类广泛，人体磷的来源不成问题，故实际上并没有规定供给量的必要。人体里有哪些元素 人体也同样是由化学元素组成的。按重量百分比计算，人体内的主要化学元素碳、氢、氧和氮，占人体重量的96%。这四种化学元素是有机化学的基础物质，所以可以说人体的96%是有机物。其中氧占65%,碳18%，氢10%，氮3%。 人体的剩余部分由其他有机物和无机物组成，其中大部分是矿物质。碳、氢、氧=氮和钙（1.5%）加在一起，总共占人体的97.5%。其余的2.5%包括40多种元素。如磷、硫、钾、钠、氯、镁、铁、锌、氟、铷、锶、铜、碘等。其中前六种占体重的1%-0.5%。从第七种以后，在人体里的含量分别只占0.1%以下，被称为人体里的微量元素。 一般都认为，人体必须的微量元素由9种：铁、氟、锌、铜、铬、锰、碘、钼、钴。 人体里必须的微量元素，对生命的正常新陈代谢是重要的，缺了不可，多了也会出现病态。所以，人体的元素组成和环境有密切的关系。注意摄入食物的元素组成，消除环境污染。 此外，还有许多种元素是污染元素，如铅、汞、镉、镭等，是随着工业化进程而渗入人体的。这些元素的量必须严格控制在一定水平范围内。没有空气便没有生命 人类生活在地球上，每时每刻地要吸入空气。空气是维持一切生命所必须的物质，没有空气也就没有生命。 空气是由氮、氧、二氧化碳、氩、氖、氙、臭氧等化学元素组成的一种混合气体。其中，大部分是氮（78%）和氧（21%)。大约总重量的99%是在19英里高度以下，而且只有在海平面以上4英里内有足以维持生命的氧气，含有大部分的氧支配我们气候的区域是对流层，他平均延伸至7英里的高度。 空气中的各种化学物质，除氧为人体生命活动所必须的物质外，其他成分对生命既非必须，也无害处。人们进行呼吸运动时，氧通过呼吸道进入肺泡，在肺泡里和二氧化碳气体进行气体交换，进而进入血流和血红蛋白结合，随血液循环输送到身体各组织细胞。一个人断气五分钟就会死亡。 成人每次呼吸平均吸入半升空气。这个数量约有1.3x1022个分子。大多数分子吸入肺后又吐出，只有持久留在肺中的能影响我们的健康，虽然空气中乌物与氧、氮、二氧化碳相比只是比较小的量，但是在洛杉矶晴朗的日子里，每次呼吸也能吸入20000000个污染物分子。可见，长期处于污染空气中，人身会发生病变。水果为什么可以解酒 饮酒过量常为醉酒，醉酒多有先兆，语言渐多，舌头不灵，面颊发热发麻，头晕站立不稳都是醉酒的先兆，这时需要解酒。 不少人知道，吃一些带酸味的