纳米材料学(二)——纳米微粒的特性.ppt

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1、纳米材料学纳米颗粒特性纳米颗粒基本特性量子尺寸效应小尺寸效应表面效应宏观量子隧道效应量子尺寸效应大块材料的能带可以看成是连续的，而介于原子和大块材料之间的纳米材料的能带将分裂为分立的能级。能级间的间距随颗粒尺寸减小而增大。当热能、电场能、或者磁场能比平均的能级间距还小时就会呈现出一系列与宏观物体截然不同的反常特性，称之为量子效应。这一效应可使纳米粒子具有高的光学非线性、特异催化性和光催化性质等。小尺寸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。对纳米颗粒而言尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加，从而磁性、内压

2、、光吸收、热阻、化学活性、催化性及熔点等都较普通粒子发生了很大的变化，产生一系列新奇的性质。例如金属纳米颗粒对光吸收显著增加，并产生吸收峰的等离子共振频移；小尺寸的纳米颗粒磁性与大块材料有明显的区别，由磁有序态向磁无序态，超导相向正常相转变。与大尺寸固态物质相比纳米颗粒的熔点会显著下降，例如2nm的金颗粒熔点为600K，随着粒径增加熔点迅速上升，块状金为1337K。表面效应表面效应是指纳米颗粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后引起的性质上的变化。纳米粒子尺寸小，表面能高，表面原子占相当大的比例。例如粒径为10nm时，比表面积为90m2/g；粒径为5nm时，比表面积为

3、180m2/g；粒径下降到2nm时，比表面积猛增到450m2/g。粒子直径减小到纳米级，不仅引起表面原子数的迅速增加，而且纳米粒子的表面积、表面能都会迅速增加。这主要是因为处于表面的原子数较多，表面原子的晶场环境和结合能与内部原子不同所引起的。表面原子周围缺少相邻的原子，有许多悬空键，具有不饱和性质，易与其它原子相结合而稳定下来，故具有很大的化学活性，晶体微粒化伴有这种活性表面原子的增多，其表面能大大增加。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。量子尺寸效应、隧道效应将会是未来电子器件的基础，或者它确立了

4、现存微电子器件进一步微型化的极限。当电子器件进一步细微化时，必须要考虑上述的量子效应。纳米微粒的结构与形貌纳米材料的大比表面积使它们具有高活性，纳米粒子暴露大气后表层被氧化，因此纳米粒子的表面常常会有一包裹层。如果纳米粒子的长大过程是动力学控制，则不同晶面增长的速率决定；如果粒子是在热平衡条件下形成，则形状和结晶性由表面能的大小来决定。由于诸多因素的影响，如温度、动力学、杂质和表面能因素等，粒子可以有特殊的结构、形状和尺寸分布。纳米微粒的物理特性热学性能磁学性能光学性能电学性能热学性能纳米微粒熔点、开始烧结温度和晶化温度均比常规粉体低很多。由于颗粒小、表面能高、比表面原子数多、

5、表面原子近邻配位不全、活性大，纳米粒子熔化时所需增加的内能小得多，这就使得纳米微粒熔点急剧下降；纳米微粒尺寸小，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，有利于界面中的孔洞收缩，空位团的湮没，因此，在较低的温度下烧结就能达到致密化的目的，即烧结温度降低。磁学性能超顺磁性和其他超磁性：当稀释磁材料中的磁团体积和序磁材料中的磁畴体积小到可受热扰动影响而呈现混乱排列时，其磁性与具有磁矩的原子系统的顺磁性相似，一旦受到外加磁场磁化时，其磁化曲线表现出可逆的顺磁和矫顽力为零的特点，并呈现普适磁化曲线，其磁化率也远高于一般顺磁物质的磁化率。这种磁性称为

6、超顺磁性。其起因为：在小尺寸下，当各向异性能减少到与热运动能可相比拟时，磁化方向就不再固定在一个易磁化方向，易磁化方向作无规则的变化，结果导致超顺磁性的出现。不同的纳米微粒进入超顺磁状态时的临界尺寸各不相同。矫顽力：纳米微粒尺寸高于超顺磁临界尺寸时通常呈现高的矫顽力。磁相变温度：一些纳米强磁颗粒系统由于颗粒的表面磁作用和体磁作用在颗粒直径减小时而逐渐接近，使原来磁材料的一些磁性和其他物性在成为纳米强磁材料时发生显著或较显著的变化。磁化率：纳米磁性金属的磁化率是常规则金属的20倍。光学性能宽频带强吸收：Au的颜色是金黄色的，Ag是银白色，但当以纳米微粒形式存在时，它们都呈现相同的

7、深灰色，这是由于纳米微粒的光吸收系数大，而光反射系数小的缘故；纳米Si3N4、SiC及Al2O3粉在红外有一个宽频带强吸收谱；许多纳米微粒，如ZnO、Fe2O3和TiO2等在紫外光有强吸收作用，而亚微米级TiO2对紫外光几乎不吸收。蓝移和红移现象：与大块材料相比，纳米微粒的吸收带普遍存在“蓝移”现象，即吸收带移向短波长方向。对纳米微粒吸收带“蓝移”的一种解释是基于纳米微粒的量子尺寸效应。由于颗粒的尺寸减小、能隙变宽，即已被电子占据分子轨道能级与未被占据分子轨道能级之间的宽度（能隙）随颗粒直径