第2章-纳米粒的物理化学性质及制备方法

《第2章-纳米粒的物理化学性质及制备方法》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、第2章纳米粒的物理化学性质及制备方法纳米粒（nanoparticle）是指粒径在纳米尺度的一种物质状态。対于金属与无机物，通常将粒径在MOOnm范围的颗粒称为纳米粒；对于有机物和聚合物，习惯上将粒径小于lOOOnm的颗粒称为纳米粒。纳米粒具有奇特的物理、化学性质，同时，纳米粒又是构造纳米结构、纳米器件、纳米材料的基木单元。因此，对纳米粒基本特性的研究、新型制备技术的开发、应用领域的拓展，一直是纳米科技领域中的研究热点。目前对纳米粒的研究集中在如•卜•方面：①纳米粒的高产率制备技术；②纳米粒形态控制、特殊形态和复合结构纳米粒的制备技术；

2、③纳米粒特性的认识与新特性的发现；④纳米粒的应用研究。本章将介绍纳米粒的基本物理、化学特性，并尝试对纳米粒的复合结构、纳米粒的生物特性进行归纳和阐述。2.1纳米粒的特殊效应2.1.1纳米粒的体积效应采用“由下而上（bottomup）"的方法，我们可以从原子、分子出发构筑纳米粒；利用“从上至下（topdown）”的技术，我们可以将宏观物体逐步细化得到纳米粒。纳米粒在性能上与原子、分子和宏观物体完全不同，成为--种物质的新状态。这种性能上的变化是由物质的体积取特定的数值而引起的，故称之为“体积效应”。对体积效应产生的原因仍在不断地探讨屮。

3、目前，“量子尺寸效应”与“小尺寸效应”是体积效应的两种具体体现°1•量子尺寸效应日本科学家久保（Kubo）对量子尺寸效应做了这样的定义⑴：当粒子尺寸（体积）下降至某一特定值以后，费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象。对于金属而言，久保建立了离散能级与粒子直径的关系：4F3=-^（2-1）3N、c2.83xlO',8-Z:式中：§为离散能级间距（又称久保能隙），Ef为块体金属的费米能级，N为总电子数。宏观物体包含有无限多个原子，即所含的电子数目趋于无穷大（N-8）,因而，6->0,即宏观物体的能级间距几乎为零。然而，纳米粒包

4、含的原子数目有限，N值较小，导致§収一定的数值，即能级为离散的。当能级间距大于热能、磁能、静电能、光子能量或超导的凝聚态能时，物体将产生明显的量子效应。因此，纳米粒的磁、光、电、热以及超导电性与相应宏观物体的性能存在显著的区别。例如，对于粒径为3nm的Ag颗粒，其包含有10’个原子，久保能隙§的数值在5〜10mcV范围。在室温条件下，kT^25meV（k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度），此时的&的数值小于kT,因此，3nm的她颗粒具有金属的特性。进一步减小粒径或降低温度，使得&值与kT相当，则Ag颗粒将呈现非金属特性⑴。文献z给出了金属

5、性质随尺度减小而发生变化的理论解释。半导体纳米粒与块体物质的光学和电学性质不同，其原因在于随着粒径的减小而产生了量子化。由于半导体纳米粒的载流子限制在一个小尺寸的势阱屮，导带和价带能带变成离散的能级，因此有效带隙增大，吸收光谱阈值向短波方向移动。载流子的有效质量越小，电子和空穴能态受到的影响就越明显，吸收阈就越向更高光子能量偏移，量子尺寸效应就越明显。Bms建立的激子模型定量地描述了纳米粒尺寸对激子能级的影响。他运用量子力学方法，推导出激子的最低激发态能量（E，）与纳米粒半径（R）的关系为⑶：E三E&+0.5h27T2R'2（m；+m

6、；'）一1.8e2

7、。2.小尺寸效应当纳米粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长、超导态的相干长度等物理特征量相当或更小时，周期性的边界条件将被破坏，物质的声、光、电、磁、热等性质均会产生新的特征，性质的这种变化称之为小尺寸效应。由于小尺寸效应，金属纳米粒完全变黑，对光的反射率<1%,对太阳光谱几乎具有全吸收性质，因此可以制备出“太阳黑体”物质⑴。Fe-Co纳米粒为单磁畴颗粒，其矫顽力很高，用途很广。现已在磁卡、磁流体、电器件、密封与润滑和选矿等方面得到应用。2nm金纳米粒热力学特征发生了很大变化，其熔点由块体的1337K下降到600Ko银纳米粒熔点也呈现出同

8、样变化，其熔点值降到373K[1这些热力学特性为粉末冶金工业提供了新工艺。此外，由于粒子尺寸限制了电子平均自由程和晶格振动，使材料介电性能变化，一些材料的超导温度得到提高⑺。2.1.2纳米粒的表面效应目前我们所称的纳米