纳米材料的形貌与性质

纳米材料的性质与形貌,纳米材料的性质,一，表面效应二，小尺寸效应三，量子尺寸效应四，宏观量子隧道效应,纳米材料特性的原因,纳米材料四大特点:尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子比例大纳米级材料性能表现出强烈的尺寸依赖性。,一，表面效应,是指纳米超微粒子的表面原子数与总原子数之比随着纳米粒子尺寸的减小而大幅度地增加，粒子的表面能及表面张力也随着增加，从而引起纳米粒子性能的变化。,应用,二，小尺寸效应,当纳米粒子的尺寸与光波波长、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，对于晶体其周期性的边界条件将被破坏，对于非晶态纳米粒子其表面层附近原子密度减小，这些都会导致电、磁、光、声、热力学等性质的变化，这称为小尺寸效应，又称体积效应。,分类,（1）特殊的光学性质（2）特殊的热学性质（3）特殊的磁学性质（4）特殊的力学性质,（1）特殊的光学性质,表现为颜色所有的金属在超微颗粒状态时都呈现为黑色。尺寸越小，颜色越黑。,应用,利用光学特性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。也有可能应用于红外敏感原件、红外隐身技术（纳米复合材料对光的反射度极低，但对电磁波的吸收性能极强，是隐形技术的突破）等。,红外光吸收：纳米Al2O3、TiO2、SiO2、Fe2O3及其复合材料对人体红外有强烈吸收，可以起到保暖作用，减轻衣服重量，对登山运动员、军人战士防寒。紫外光吸收：纳米TiO2、Al2O3、SiO2、ZnO粉末对250nm以下的波长有较强的吸收。185nm的短波紫外线对人体健康有损害，而且对日光灯的寿命有影响，若将Al2O3粉末掺入稀土荧光粉中，可吸收掉这些有害的紫外光。,（2）特殊的热学性质,固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的，超细微化后却发现其：熔点降低、开始烧结温度降低、晶化温度降低当颗粒小于10纳米量级时尤为显著。,熔点降低,开始烧结温度降低,晶化温度降低,超微颗粒熔点下降的性质对粉末冶金工业具有一定的吸引力。在钨颗粒中附加0.1%-0.5%（质量分数）的超微镍颗粒后，可使烧结温度从3000oC降低到12001300oC。,应用,（3）特殊的磁学性质,小尺寸的超微颗粒磁性与大块材料显著的不同，大块的纯铁矫顽力约为80安米，而当颗粒尺寸减小到210-2微米以下时，其矫顽力可增加1千倍，若进一步减小其尺寸，大约小于610-3微米时，其矫顽力反而降低到零，呈现出超顺磁性。,利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性，已作成高贮存密度的磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙等。纳米磁性材料的磁记录密度可比普通的磁性材料提高10倍。,应用,（4）特殊的力学性质,因为纳米材料具有大的界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出甚佳的韧性与一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力学性质。,纳米陶瓷粉制成的陶瓷有一定的塑性，高硬度和耐高温。纳米陶瓷刚柔并济！,应用,“摔不坏的陶瓷壶、陶瓷碗”,材料世界中的大力士-纳米金属块体金属纳米颗粒粉体制成块状金属材料，它会变得十分结实，强度比一般金属高十几倍，同时又可以像橡胶一样富于弹性.,三，量子尺寸效应,金属费米能级附近电子能级在高温或宏观尺寸情况下一般是连续的，但当微粒尺寸下降到某一纳米值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续能级变为离散能级的现象，以及纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级而使能隙变宽的现象，称为量子尺寸效应。,量子尺寸效应可导致纳米颗粒的磁、光、声、电、热以及超导电性与同一物质原有性质有显著差异，即出现反常现象：光谱线频移导电性能变化,光谱线频移,微粒下降到纳米尺度时，费米能级附近的电子能级由准连续能级变为分立能级，吸收光谱阈值向短波或者长波方向移动。,美国贝尔实验室发现当半导体硒化镉颗粒随尺寸的减小能带间隙加宽，发光颜色由红色向蓝色转移。美国伯克利实验室控制硒化镉纳米颗粒尺寸，所制备的发光二极管可在红、绿和蓝光之间变化。,应用,导电性能变化,金属都是导体，但纳米金属颗粒在低温时，由于量子尺寸效应会呈现绝缘性。,量子尺寸效应使纳米技术在微电子学和光电子学地位显赫。,应用,四，宏观量子隧道效应,微观粒子具有穿越势垒的能力称为隧道效应。近年来，人们发现一些宏观量，例如微粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化，故称为宏观量子隧道效应。,电子既具有粒子性又具有波动性，因此存在隧道效应。,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，或者说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，经典电路的极限尺寸大概在0.25微米。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