纳米材料的特异性质.ppt

1、14.4 纳米材料的特异性质,14.4.1 纳米材料的表面效应 14.4.2纳米材料的小尺寸效应 14.4.3纳米材料的量子尺寸效应 14.4.4纳米材料的宏观量子隧道效应,14.4.1表面效应,纳米材料的表面效应 纳米材料的表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。,上图将采取单一立方晶格结构的原子尽可能以接近圆（或球）形进行配置的超微粒模式图,表2-1 纳米微粒尺寸与表面原子数的关系,化学性质差异,粒径在10nm以下，将迅速增加表面原子的比例。当粒径降到1nm时，表面原子数比例达到约90%以上，原子几乎全部集中到纳米粒子的表面。由于纳米粒子

2、表面原子数增多，表面原子配位数不足和高的表面能，使这些原子易与其它原子相结合而稳定下来，故具有很高的化学活性。,熔点降低、烧结温度降低、晶化温度降低等热学性质的显著变化来源于纳米材料的表面效应,2、烧结温度比常规粉体显著降低,所谓烧结温度是指把粉末先用高压压制成形，然后在低于熔点的温度下使这些粉末互相结合成块，密度接近常规材料的最低加热温度。纳米粒子尺寸小，表面能高，压制成块材后的界面具有高能量，在烧结中高的界面能成为原子运动的驱动力，有利于界面附近的原子扩散。因此，在较低温度下烧结就能达到致密化目的。,常规Al2O3的烧结温度为20732173K，在一定条件下，纳米Al2O3可在142317

3、73K烧结，致密度达99.7。 常规Si3N4的烧结温度高于2273K,纳米Si3N4的烧结温度降低673773K。,14.4.2小尺寸效应,当颗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，非晶态纳米粒子的颗粒表面层附近的原子密度减少，导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现新的物理性质的变化称为小尺寸效应。,小尺寸效应的磁学特性（1）超顺磁性,（2）高矫顽力,横行霸“道”的螃蟹 亿万年前，螃蟹并不“横行”，而是借助于触角里用于定向的磁性纳米颗粒，“前后”行走。后来，由于地球磁场发生多次剧烈的反转，使螃蟹体内的小磁针失去

4、了原来的定向作 用，导致它现在的“横行”。,14.4.3量子尺寸效应,当纳米粒子的尺寸下降到某一值时，金属粒子费米面附近电子能级由准连续变为离散能级；并且纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据的分子轨道能级和最低未被占据的分子轨道能级，使得能隙变宽的现象，被称为纳米材料的量子尺寸效应。,量子尺寸效应的光学性质,光学性质的应用 由于量子尺寸效应，纳米半导体微粒的吸收光谱一般存在蓝移现象，其光吸收率很大，所以可应用于红外线感测器材料。,宽频带强吸收性,14.4.4宏观量子隧道效应,宏观量子隧道效应是基本的量子现象之一，即当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒。近年来，人们发现一些宏观量，例如微颗粒的磁化强度，量子相干器件中的磁通量等亦有隧道效应，称为宏观的量子隧道效应。,纳米材料中的粒子具有穿过势垒的能力被称为隧道效应。 宏观物理量在量子相干