功能材料PPT系列：纳米材料课件.ppt

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1、第11章纳米材料到底什么是纳米（nano-）？纳米一个长度计量单位，1纳米=10-9米。InGreek,“nano”meansdwarfHowsmallis1nanometer?纳米材料的定义三维尺度至少有一个维度处于纳米级水平(1-100nm)的材料或由其作为基本单元所构成的材料；纳米技术:在纳米尺度上对物质和材料进行研究处理的技术称为纳米技术。其最终目的是实现用单个原子、分子制造物质。纳米材料的分类按其定义可将其分为4类：维度指非纳米尺度的维度。纳米科技的意义（1）纳米科学对基础理论的完善作用我们已经确定，材料

2、的组成、结构和性能为其三要素，三者存在某种联系；过去很长一段时间，为了探究材料结构理论及其内部机理，科研人员总是尽可能的制备、寻求理想材料(低缺陷的，纯净的材料)，其目的是使结构缺陷接近为零，从而忽略缺陷对材料性能的影响，使理论模型简单化(缺陷为零，相当于少了一个影响因素)；为此制备工艺常需要超真空、超高(低)温、失重等条件。实际材料结构当中必然是有缺陷的，因此过去的研究无疑是在寻求一种极端的条件，现在人类的研究开始向另一个极端转变：纳米材料纳米结构可看成完全的缺陷态，研究该状态下材料的结构性能，有利于完善缺陷和材

3、料性能的理论。(2)纳米技术的应用必将引发一场新的革命纳米技术的应用使人们认识、改造微观世界的水平提高到了一个新的高度。1）可以将国会图书馆的信息都存储在一块方糖大小的存储器上。2）可以检测出几个癌细胞。-------克林顿很显然这些我们已经实现，并比这做的还要好。许多人认为纳米科技仅仅是遥远的未来基础科学的事情,而没有什么实际意义。但我确信纳米科技现在已具有与此同时150年前微米科技所具有的希望和重要意义。150年前,微米成为新的精确标准,并成为工业革命的技术基础,最早和最好学会并使用微米技术的国家都在工业发展中

4、占据了巨大的优势。同样,未来的技术将属于那些明智地接受纳米作为新标准,并首先学习和使用它的国家。我们应当记住,微米技术曾同样被认为对使用牛耕地的农民无关紧要。的确,微米与牛毫无关系,但它却改变了耕作方式,带来了拖拉机。---H.Rohrer,IBM苏黎世实验室,1993年。二、纳米材料的奇异性能结构决定性能，而材料结构又取决于工艺四大特点:尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子比例大四大效应:小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应。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

5、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。纳米粒子的表面原子所占的比例随粒径变小而急剧增大，比表面积显著增加，表面原子因具有不饱和键结构而具有很高的活性，表面能很高，致使颗粒具有与宏观块体材料不一样的性能。表面效应拐点比表面积：物体的表面积与体积之比，该数据对纳米材料的性质具有重要影响。比表面积与粒径：随着颗粒直径变小，比表面积将会显著增大，说明表面原子所占的百分比将会显著增

6、加。例如，直径大于0.1微米的颗粒表面效应可忽略不计，而当尺寸小于0.1微米时，其表面原子百分比急剧增长。甚至1克超微颗粒表面积的总和可高达100平方米，这时的表面效应不能忽略。1g粉笔磨成纳米粉体，可把我们的教室全部涂白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，而半导体材料的能隙将变宽。量子尺寸效应宏观量子隧道效应隧道：明明有障碍物无法通行，但却可以忽略障碍物通行无阻。隧道效应：又称势垒贯穿，是由微观粒子的波动性所确定的量子效应。粒子运动时遇到一个高于粒子能量的势垒，按照经典力

7、学，是不可能越过势垒的；按照量子力学则除了在势垒处的反射外，还有透过势垒的波函数，这表明在势垒的另一边，粒子具有一定的概率，粒子贯穿势垒。理论计算表明，对于能量为几个电子伏的电子，方势垒的能量也是几电子伏，当势垒宽度为1埃时，粒子的透射概率达零点几；而当势垒宽度为10埃时，粒子透射概率减小到10-10，已微乎其微。可见隧道效应是一种微观世界的量子效应，对于宏观现象，实际上不可能发生。近年来，人们发现纳米器械中的一些宏观物理量，如磁化强度、磁通量等亦显示出隧道效应，称之为宏观的量子隧道效应。由四大效应引起的奇特物理性

8、能特殊的光学性质特殊的热学性能特殊的力学性能特殊的磁学性能光学性能当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，即失去了原有的富贵光泽而呈黑色。事实上，所有的金属在超微颗粒状态都呈黑色。尺寸越小，颜色愈黑。原因：超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于1％，大约几微米的厚度就能完全消光。吸收带蓝移现象由量子尺寸效应可知，金属纳米颗粒的能带由连续向离散态转变，半导体的禁带宽