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材 料 概 论 论 文纳米材料院系：学号：姓名：2015年4月28日 摘要：主要介绍了纳米材料的基本概述，并对它的一些性能特点，结构，制备方法，应用，近三五年内的研究进展进行归纳总结。1、 概述：纳米材料广义上是三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或者由该尺度范围的物质为基本结构单元所构成的超精细颗粒材料的总称。由于纳米尺寸的物质具有与宏观物质所迥异的表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应和量子限域效应，因而纳米材料具有异于普通材料的光、电、磁、热、力学、机械等性能。纳米材料被广泛的也能用于各个领域之中，例如建筑界、医学界、化学界、食品界、工业。2、 特性：（1）量子尺寸效应：当纳米粒子的尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象、以及半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低空轨道和能隙变宽的现象统称为量子尺寸效应。 量子尺寸效应产生最直接的影响就是纳米材料吸收光谱的边界蓝移。这是由于在半导体纳米晶粒中，光照产生的电子和空穴不再自由，它们之间存在库仑作用，形成类似于宏观晶体材料中的激子的电子一空穴对。由于空间的强烈束缚导致激子吸收峰、带边以及导带中更高激发态均相应蓝移，并且当电子一空穴对的有效质量越小，电子和空穴受到的影响越明显，吸收阈值就越向更高光子能量偏移，量子尺寸效应也越显著。（2） 小尺寸效应：当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏;非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小，导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现新的小尺寸效应。例如，光吸收显著增加，并产生吸收峰的等离子共振频移;磁有序态向磁无序态、超导相向正常相的转变;声子谱发生改变。例如，纳米尺度的强磁性颗粒(FeCo合金，氧化铁等)，当颗粒尺寸为单磁畴临界尺寸时，具有很高的矫顽力，可制成磁性信用卡、磁性钥匙、磁性车票等，还可以制成磁性液体，广泛地用于电声器件、阻尼器件、旋转密封、润滑、选矿等领域。又比 如，块状金的熔点为1337K，随粒径降低，熔点迅速下降，Znm金颗粒的熔点即降至600K。利用等离子共振频率随颗粒尺寸变化的性质，可以改变颗粒尺寸，控制吸收边位移，制造出具有一定频宽的微波吸收纳米材料，用于电磁波屏蔽、隐形飞机等。 （3） 表面效应：纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径减小而急剧增大，粒子的表面能和表面张力也随着增加，从而引起纳米粒子的性质发生变化。例如:粒度达到5nm时，表面原子数将占50%;粒度2nm，表面原子数将提高到 80%;1nm时表面原子数比例己达到99%，原子几乎全部集中到纳米粒子表面。当表面原子增加到一定的程度，粒子性能更多的由原子而不是由晶格上的原子决定。由于表面原子数增多，表面原子配位不满以及高的表面能，导致纳米微粒表面存在许多缺陷，使这些表面具有很高的活性，不但引起纳米粒子表面原子运输和结构的变化，同时也引起表面电子自旋构象和电子能谱改变，从而导致纳米微粒表面原子输运和构型的变化2，。这就是纳米粒子的表面效应。（4） 宏观量子隧道效应： 量子物理中把粒子能够穿过比它动能更高势垒的物理现象称为隧道效应川。这种量子隧道效应即微观体系借助于一个经典被禁阻路径从一个状态改变到另一个状态的通道，在宏观体系中当满足一定条件时也可能存在。用此概念可定性地解释超细镍微粒在低温下继续保持超顺磁性。AwSCha1Som等采用扫描隧道显微镜技术控制磁性纳米粒子的沉淀，研究了低温条件下微粒磁化率对频率的依赖性，证实了低温下确实存在磁的宏观量子隧道效应2s。它与量子尺寸效应一起都将会是未来微电子、光电子器件的基础，或者说它确立了目前微电子器件的进一步微型化的极限。近年来的研究发现某些宏观物理量，如颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等均显示出隧道效应，称之为宏观的量子隧道效应。量子尺 寸效应、宏观量子隧道效应将会是未来微电子、光电子器件的基础，它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限，当微电子器件进一步微型化时必须要考虑上述的量子效应。例如，在制造半导体集成电路时，当电路的尺寸接近电子波长时，电子就通过隧道效应而溢出器件，使器件无法正常工作，目前研制的量子共振隧穿晶体管就是利用量子效应制成的新一代器件。（5）介电限域：纳米粒子的介电限域效应较少不被注意到。实际样品中，粒子被空气聚合物玻璃和溶剂等介质所包围，而这些介质的折射率通常比无机半导体低。光照射时，由于折射率不同产生了界面，邻近纳米半导体表面的区域纳米半导体表面甚至纳米粒子内部的场强比辐射光的光强增大了。这种局部的场强效应，对半导体纳米粒子的光物理及非线性光学特性有直接的影响。对于无机-有机杂化材料以及用于多相反应体系中光催化材料，介电限域效应对反应过程和动力学有重要影响。3、制备方法：（1）惰性气体下蒸发凝聚法。通常由具有清洁表面的、粒度为1-100nm的微粒经高压成形而成，纳米陶瓷还需要烧结。国外用上述惰性气体蒸发和真空原位加压方法已研制成功多种纳米固体材料，包括金属和合金，陶瓷、离子晶体、非晶态和半导体等纳米固体材料。我国也成功的利用此方法制成金属、半导体、陶瓷等纳米材料。（2）化学方法：1水热法，包括水热沉淀、合成、分解和结晶法，适宜制备纳米氧化物；2水解法，包括溶胶-凝胶法、溶剂挥发分解法、乳胶法和蒸发分离法等。（3）综合方法。结合物理气相法和化学沉积法所形成的制备方法。其他一般还有球磨粉加工、喷射加工等方法。4、 应用情况：在此我们特意介绍纳米材料在生物医学方面的应用。（1） 纳米碳材料：纳米碳材料主要包括碳纳米管、气相生长碳纤维也称为纳米碳纤维、类金刚石碳等。碳纳米管有独特的孔状结构，利用这一结构特性，将药物储存在碳纳米管中并通过一定的机制激发药物的释放，使可控药物变为现实。纳米碳纤维通常是以过渡金属Fe、Co、Ni及其合金为催化剂，以低碳烃类化合物为碳源，氢气为载体，在873 K1473 K的温度下生成，具有超常特性和良好的生物相溶性，在医学领域中有广泛的应用前景。（2） 纳米高分子材料：纳米高分子材料，也称高分子纳米微粒或高分子超微粒，粒径尺度在1 nm1000 nm范围。这种粒子具有胶体性、稳定性和优异的吸附性能，可用于药物、基因传递和药物控释载体，以及免疫分析、介入性诊疗等方面。（3） 纳米复合材料：目前，国外已制备出纳米ZrO2增韧的氧化铝复合材料，用这种材料制成的人工髋骨和膝盖植入物的寿命可达30年之久 。研究表明，纳米羟基磷灰石胶原材料也是一种构建组织工程骨较好的支架材料。此外，纳米羟基磷灰石粒子制成纳米抗癌药，还可杀死癌细胞，有效抑制肿瘤生长，而对正常细胞组织丝毫无损，这一研究成果引起国际的关注。5、研究进展：（1）纳米组装体系蓝绿光的研究出现新的苗头。日本Nippon钢铁公司闪电化学阳极腐蚀方法获得6H多孔碳化硅，发现了蓝绿光发光强度比6H碳化硅晶体高100倍：多孔硅在制备过程中经紫外辐照或氧化也发蓝绿光；含有Dy和Al的SiO2气凝胶在390nm波长光激发下发射极强的蓝绿光，比多孔Si的最强红光还高出1倍多，250nm波长光激发出极强的蓝光。（2） 巨电导的发现。美国霍普金斯大学的科学在SiO2-Au的颗粒膜上观察到极强的高电导现象，当金颗粒的体积百分比达到某临界值时，电导增加了14个数量级；纳米氧化镁铟薄膜经氢离子注入后，电导增加8个数量级；（4）纳米组装体系设计和制造有新进展