纳米材料相关知识总结.doc

纳米材料相关知识总结在人类步入21世纪之际，科学技术发展的潮流对社会的发展、生存环境改善及人体健康的保障都将作出更大的贡献。新的世纪里，信息科学技术和生命科学技术是科学技术发展的主流，它们的发展将使这些科学技术逐步走向更好、更快、更强和更加对环境友好的境地。一种非常普遍的观点认为，信息和生命科学技术能够进一步发展的共同基础是纳米科学技术。 纳米科学技术是在纳米尺寸范围内认识和改造自然，通过直接操纵和安排原子、分子而创造新物质。它的出现标志着人类改造自然的能力已延伸到原子、分子水平，标志着人类科学技术已进入一个新的时代。 纳米材料是指显微结构中的物相具有纳米级尺度的材料。它包含了三个层次，即：纳米微粒、纳米固体和纳米组装体系。纳米材料包括纳米微粒，纳米固体，纳米组装体系等。纳米结构材料的特性是由其组成微粒的尺寸、相组成和界面这三个方面的相互作用来决定的。在一定条件下，这些因素中的一个或多个可能起作用。纳米微粒是由有限数量的原子或分子组成的、保持原来物质的化学性质并处于亚稳状态的原子团或分子团。当物质的线度减小时，其表面原子数的相对比例增大，使单原子的表面能迅速增大。进入纳米尺度时，此种形态的变化反馈到物质结构和性能上，就会显示出奇异的效应。纳米材料中的微粒尺寸小到与光波波长或德布罗意波波长、超导态的相干长度等物理特征相当或更小时，晶体周期性的边界条件被破坏，非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小，使得材料的声、光、电、磁、热、力学等特性表现出改变而导致出现新的特性。人们把纳米颗粒的小尺寸所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。由此造成的特殊性质如下： (1) 特殊的光学性质 当黄金(Au)被细分到小于光波波长的尺寸时，即失去了原有的富贵光泽而呈黑色。事实上，所有的金属在纳米颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小，颜色愈黑，银白色的铂变成铂黑，金属铬变成铬黑。金属纳米颗粒对光的反射率很低，通常可低于1，大约几千纳米的厚度就能完全消光。利用这个特性，纳米材料可以作为高效率的光热、光电等转换材料，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能。此外又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等。 (2) 特殊的电学性质 介电和压电特性是材料的基本物性之一。纳米半导体的介电行为(介电常数、介电损耗)及压电特性同常规的半导体材料有很大的不同，主要表现在以下几个方面。 第一，纳米半导体材料的介电常数随测量频率的减小呈明显上升趋势，而相应的常规半导体材料的介电常数较低，在低频范围内上升趋势远远低于纳米半导体材料。第二，在低频范围，纳米半导体材料的介电常数呈现尺寸效应，即粒径很小时，其介电常数较低，随粒径增大，介电常数先增加然后下降，在某一临界尺寸呈极大值。第三，介电常数温度谱及介电常数损耗谱特征：纳米TiO2半导体的介电常数温度谱上存在一个峰，而在其相应的介电常数损耗谱上呈现一损耗峰。一般认为前者是由于离子转向极化造成的，而后者是由于离子弛豫极化造成的。第四，压电特性：对某些纳米半导体而言，其界面存在大量的悬键，导致其界面电荷分布发生变化，形成局域电偶极矩。若受外加压力使偶极矩取向分布等发生变化，在宏观上产生电荷积累，从而产生强的压电效应，而相应的粗晶半导体材料粒径可达m数量级，因此其界面急剧减小(0.01)，从而导致压电效应消失。 (3) 特殊的磁性 通过电子显微镜研究表明，在趋磁细菌体内通常含有直径约为20nm的磁性氧化物颗粒。小尺寸超微颗粒的磁性比大块材料强许多倍，大块的纯铁矫顽力约为80安/米，而当颗粒尺寸减小到20nm以下时，其矫顽力可增加1000倍，若进一步减小其尺寸，大约小于6nm时，其矫顽力反而降低到零，表现出所谓超顺磁性。利用超微粒子具有高矫顽力的性质，已做成高储存密度的磁记录粉，大量应用于磁带、磁盘、磁卡及磁性钥匙等，利用超顺磁性人们研制出应用广泛的磁流体，用于密封等。在医学上可用作药剂的载体，在外磁场的引导下集中于病患部位，有利于提高药效。 (4) 特殊的热学性质 在纳米尺寸状态，具有减少了空间维数的材料的另一种特性是相的稳定性。当人们足够地减少组成相的尺寸的时候，由于在限制的原子系统中的各种弹性和热力学参数的变化，平衡相的关系将被改变。固体物质在粗晶粒尺寸时，有其固定的熔点，超细微化后，却发现其熔点显著降低，当颗粒小于10nm时变得尤为显著。如块状的金的熔点为1064，当颗粒尺寸减到10nm时，则降低为1037，降低27，2nm时变为327；银的常规熔点为690，而超细银熔点变为100，因此银超细粉制成的导电浆料可在低温下烧结。这样元件基片不必采用耐高温的陶瓷材料，甚至可用塑料替代。采用超细银粉浆料，可使膜厚薄均匀，覆盖面积大，既省料质又高。 1001000nm的铜、镍纳米颗粒制成导电浆料可代替钯与银等贵重金属。纳米颗粒熔点下降的性质对粉末冶金工业也具有一定的吸引力。例如，在钨颗粒中附加0.10.5重量比的纳米镍颗粒后，可以使烧结温度从3000降低到12001300，以致可在较低的温度下烧制成大功率半导体管的基片。 (5) 特殊的力学性质 陶瓷材料在通常情况下呈脆性，然而由纳米超微粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性，这是因为纳米超微粒制成的固体材料具有大的界面，界面原子的排列相当混乱。原子在外力变形条件下容易迁移，因此表现出很好的韧性与一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力学性能。纳米材料的尺寸被限制在100nm以下，这是一个由各种限域效应引起的各种特性开始有相当大的改变的尺寸范围。当材料或那些特性产生的机制被限制在小于某些临界长度尺寸的空间之内时，特性就会改变。另外，纳米微粒尺寸小，表面能高，位于表面的原子占相当大的比例。随着粒径减小，表面原子数迅速增加。这是由于粒径小，表面积急剧变大所致。对直径大于100nm的颗粒表面效应可忽略不计，当尺寸小于100nm时，其表面原子百分数急剧增长，甚至1g纳米颗粒表面积的总和可高达100m2，这时的表面效应将不容忽略。纳米颗粒的表面与大块物体的表面不同，若用高倍率电子显微镜对直径为2nm的Au颗粒进行电视摄像，发现这些颗粒没有固定的形态，随着时间的变化会自动形成各种形状，如立方八面体、十面体、二十面体、多晶体等，它既不同于一般固体，又不同于液体，是一种准固体。在电子显微镜的电子束照射下，表面原子仿佛进入了“沸腾”状态，尺寸大于10nm后这种颗粒结构的不稳定性才消失，并进入相对稳定的状态。纳米颗粒的表面活性很高，在空气中金属颗粒会迅速氧化而燃烧。为防止自燃，可采用表面包覆或有意识地控制氧化速率，使其缓慢氧化生成一层极薄而致密