纳米材料的几种基本效样

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1、块体铁材料：银白色、金属光泽、导体、铁磁性铁纳米相材料：无金属光泽、黑色、矫顽力增大、电阻增大铁磁性消失（超顺磁性）绝缘体从量变到质变——物质尺寸的不断减小导致其特性发生根本性变化第二章：纳米材料的几种基本效应一、量子尺寸效应1234NN能带：N较少时，形成分立的能级，N足够大时，形成能带Eg3eVEg5eV导体半导体绝缘体在金属中最高占有电子的能级为：E最大=h2(3n)2/3/8m2/3(0K)n为价电子密度：1022~1023/cm3，m为电子质量~10-27gEF：费米能费米能级：基态下(0K)最高的被充满的能级。EF称为

2、费米能级，对应于电子占有几率等于1/2时的能量T=0K和T>0K的费米－狄拉克分布函数当粒子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；纳米半导体颗粒存在不连续的最高被占据分子轨道(HOMO)和最低未被占据分子轨道能级(LUMO)，能隙变宽的现象，光吸收兰移，称为量子尺寸效应。导带价带以金属Ag为例，计算一下在T=1K时出现量子尺寸效应的临界粒径。Ag的电子密度n=6x1022/cm3,当>kBT时出现量子尺寸效应，此时从金属变为绝缘体。由久保公式可得：d=14nm。即当粒径小于14nm时，银纳米颗粒呈现

3、量子尺寸效应，反映在电学性质上的显著变化，变为绝缘体.天津理工大学纳米材料与技术研究中心根据久保理论，当纳米颗粒为球形时，有：即随粒径的减小，能级间隔增大天津理工大学纳米材料与技术研究中心1.导体向绝缘体的转变2.吸收光谱的兰移现象3.磁矩的大小和颗粒中电子是奇数还是偶数有关4.纳米颗粒的发光现象当δ大于热能kBT、磁能、净磁能、静电能、光子能量或超导态的凝聚能时，必须要考虑量子尺寸效应量子尺寸效应影响二、表（界）面效应球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积（表面积／体积）与直径成反比。随着颗粒直径变

4、小，比表面积将会显著增大，说明表面原子所占的百分数将会显著地增加。比表面积与材料尺寸的关系微粒尺寸比表面积10nm90m2/g5nm180m2/g2nm450m2/g½倍2倍10nm，表面原子~20%2nm，表面原子~50%1nm，表面原子~99%表面原子26/27表面原子98/125教育部顧問室奈米科技人才培育計畫粒径越小，表面原子所占比例越高表面原子的效应原子配位(coordination)不足高表面能直径小于100nm的微粒之表面效应不可忽略1、熔点显著降低与常规粉体材料相比，纳米粒子的表面能高，表面原子数多，这些表面原子近邻配位

5、不全，活性大，因此，其熔化时所需增加的内能小得多，这就使得纳米粒子熔点急剧下降。银的熔点：960.5oC；银纳米粒子在低于100oC开始熔化。铅的熔点：327.4oC；20nm球形铅粒子熔点为39oC。铜的熔点：1053oC；粒径为40nm的铜粒子，750oC。天津理工大学纳米材料与技术研究中心2、烧结温度比常规粉体显著降低所谓烧结温度是在低于熔点的温度下使粉末烧结成接近常规材料的最低温度。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

6、结就能达到致密化目的。天津理工大学纳米材料与技术研究中心常规Al2O3的烧结温度为2073－2173K，在一定条件下，纳米Al2O3可在1423－1773K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673－773K。超细银粉制成的导电浆料可以进行低温烧结，此时元件的基片不必采用耐高温的陶瓷材料，甚至可用塑料。熔点降低烧结温度降低晶化温度降低表面化学反应活性催化活性纳米材料的（不）稳定性铁磁质的居里温度降低纳米材料的超塑性和超延展性介电材料的高介电常数（界面极化）

7、吸收光谱的红移现象表（界）面效应的主要影响三、小尺寸效应（小体积效应）随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。当超细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；非晶态纳米颗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。纳米相材料在电子输运过程中的小尺寸效应一般对电子的散射可分为颗粒(晶内)散射贡献和界面(晶界)散射贡献两部分：常规粗晶材料以晶内散射

8、为主，当颗粒尺寸与电子的平均自由程相当时，界面对电子的散射有明显的作用。粒子直径d～电子平均自由程天津理工大学纳米材料与技术研究中心纳米相材料存在大量的晶界，使得界面对电子散射非常强，导致电阻升高。晶界原子