納米材料的基本效應(yīng)

1、納米材料的基本效應(yīng)及其應(yīng)用主講人：安博組員：陳晴朗 李春陽 孫欽佩納米材料的基本效應(yīng)體積效應(yīng)量子隧道表面效應(yīng)介電限域量子尺寸納米材料的基本效應(yīng) 體積效應(yīng) 當(dāng)納米粒子的尺寸與傳導(dǎo)電子的德布羅意波相當(dāng)或更小時(shí)，周期性的邊界條件將被破壞，磁性、內(nèi)壓、光吸收、熱阻、化學(xué)活性、催化性及熔點(diǎn)等都較普通粒子發(fā)生了很大的變化，這就是納米粒子的體積效應(yīng)。納米粒子的以下幾個(gè)方面效應(yīng)及其多方面的應(yīng)用均基于它的體積效應(yīng)。體積效應(yīng)的應(yīng)用 納米粒子的熔點(diǎn)可遠(yuǎn)低于塊狀本體，此特性為粉粉冶金工業(yè)提供了新工藝。 利用等離子共振頻移隨顆粒尺寸變化的性質(zhì)，可以改變顆粒尺寸，控制吸收的位移，制造具有一種頻寬的微波吸收納米材料，用于電

2、磁屏蔽，隱形飛機(jī)等。特殊的光學(xué)性質(zhì) 當(dāng)黃金被細(xì)分到小于光波波長的尺寸時(shí)，即失去了原有的富貴光澤而呈黑色。事實(shí)上所有的金屬在超微顆粒狀態(tài)都呈現(xiàn)為黑色。尺寸越小顏色愈黑。銀白色的鉑變成鉑黑，金屬鉻變成鉻黑。由此可見，金屬的超微顆粒對光的反射率很低，通?？傻陀诎俜种?，大約幾微米的厚度就能完全消光。 利用這個(gè)特性可以作為高效率的光熱光電轉(zhuǎn)換材料，可以高效率的將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮茈娔?，此外又可能?yīng)用于紅外隱身技術(shù)等。特殊的光學(xué)效應(yīng) 當(dāng)黃金被制成納米粒子時(shí)，顏色不再是金黃色而呈紅色，說明光學(xué)性質(zhì)因尺寸的不同而有所變化。特殊的光學(xué)效應(yīng) 1991年春的海灣戰(zhàn)爭，美國執(zhí)行任務(wù)的F-117A隱形戰(zhàn)斗機(jī)，其機(jī)身外表

3、所包覆的紅外與微波隱身材料中就包含有多種納米超微顆粒，它們對不同的波段的電磁波有強(qiáng)烈的吸收能力，以欺騙雷達(dá)，達(dá)到隱身的目的。F-117A隱形戰(zhàn)斗機(jī)特殊的熱學(xué)性質(zhì) 固態(tài)物質(zhì)在其形態(tài)為大尺寸時(shí)，熔點(diǎn)是固定的，超細(xì)微化后卻發(fā)現(xiàn)其熔點(diǎn)顯著降低，當(dāng)顆粒小于10納米量級時(shí)尤為顯著。 例如，金的常規(guī)熔點(diǎn)為1064度，當(dāng)顆粒小到10納米是，則降低27度，2nm尺寸時(shí)的熔點(diǎn)僅為327度左右；銀的常規(guī)熔點(diǎn)為670度，而超微銀顆粒的熔點(diǎn)可低至100度。 因此，超微細(xì)銀粉制成的導(dǎo)電漿料可以進(jìn)行低溫?zé)Y(jié)，此時(shí)原件的基片不必采用耐高溫的陶瓷材料，甚至可以用塑料。采用超細(xì)銀粉漿料，可使膜厚均勻，覆蓋面積大，既潔身材料又具高

4、質(zhì)量。特殊的熱學(xué)性質(zhì) 金屬納米顆粒表面的原子十分活潑，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如果將金屬銅或鋁作成納米顆粒，遇到空氣就會激烈燃燒，發(fā)生爆炸?？捎眉{米顆粒的粉體作為固體火箭的燃料、催化劑。例如，在火箭的固體燃料推進(jìn)劑添加1重量的超微鋁或鎳顆粒，每克燃料的燃燒熱可增加1倍。特殊的磁學(xué)性質(zhì)特殊的磁學(xué)性質(zhì) 人們發(fā)現(xiàn)鴿子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趨磁細(xì)菌等生物體重存在超微的磁性顆粒，使這類生物在地磁場導(dǎo)航下能辨別方向，生活在水中的趨磁細(xì)菌依靠它游向營養(yǎng)豐富的水底。通過電子顯微鏡的研究表明，在趨磁細(xì)菌體內(nèi)通常含有直徑約為20nm的磁性氧化物顆粒。特殊的磁學(xué)性質(zhì) 小尺寸的超微粒磁性與大塊材料的顯著不同，大塊的純鐵

5、矯頑力約為80安/米，而當(dāng)顆粒尺寸減小到20納米以下時(shí)，其矯頑力可增加1000倍，若進(jìn)一步減小其尺寸，大約小于6納米時(shí)，其矯頑力反而降低到0，呈現(xiàn)超順磁性。 利用磁性超微顆粒具有高矯頑力的特性，已做成高貯存密度的磁記錄磁粉，大量應(yīng)用于磁帶、磁盤、磁卡以及磁性鑰匙等。 利用超順磁性，人們將磁性超微顆粒制成用途廣泛的磁性液體。特殊的力學(xué)性質(zhì) 陶瓷材料在通常情況下呈現(xiàn)脆性，然而由納米超微顆粒壓制成的納米陶瓷材料卻具有良好的韌性。 因?yàn)榧{米材料具有大的界面。界面的原子排列是相當(dāng)混亂的，原子在外力變形的條件下很容易遷移，因此表現(xiàn)出甚佳的韌性與一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力學(xué)性質(zhì)。美國學(xué)者報(bào)道氟化鈣

6、納米材料在室溫下可以大幅度彎曲而不斷裂。 研究表明，人的牙齒之所以具有很高的強(qiáng)度，是因?yàn)樗怯闪姿徕}等納米材料構(gòu)成的。呈納米晶粒的金屬要比傳統(tǒng)的粗晶粒金屬硬3-5倍。至于金屬陶瓷等復(fù)合納米材料則可在更大范圍內(nèi)改變材料的力學(xué)性質(zhì)，其前景十分寬廣。納米材料的基本效應(yīng) 表面效應(yīng) 表面效應(yīng)是指納米粒子表面原子與總原子數(shù)之比隨著粒徑的變小而急劇增大后所引起的性質(zhì)上的變化。表面效應(yīng) 下表為 納米粒子尺寸與表面原子數(shù)的關(guān)系表面效應(yīng) 從表可以看出，隨粒徑減小，表面原子數(shù)迅速增加。另外，隨著粒徑的減小，納米粒子的表面積、表面能的都迅速增加。這主要是粒徑越小，處于表面的原子數(shù)越多。表面原子的晶體場環(huán)境和結(jié)合能與內(nèi)

7、部原子不同。表面原子周圍缺少相鄰的原子，有許多懸空鍵，具有不飽和性質(zhì)，易于其他原子想結(jié)合而穩(wěn)定下來，因而表現(xiàn)出很大的化學(xué)和催化活性。表面效應(yīng)的應(yīng)用 許多金屬的納米粒子室溫下在空氣中就會被強(qiáng)烈的氧化而燃燒金屬納米粒子自燃 無機(jī)的納米粒子暴露在空氣中會吸附氣體，并與氣體進(jìn)行反應(yīng)吸附劑（碳纖維 碳管 合金等載體）。 很多催化劑的催化效率隨尺寸減小到納米量級而得到顯著提高催化劑。碳60（具有良好的催化活性）納米材料的基本效應(yīng) 量子尺寸 粒子尺寸下降到一定值時(shí)，費(fèi)米能級接近的電子能級由準(zhǔn)連續(xù)能級變?yōu)榉至⒛芗壍默F(xiàn)象稱為量子尺寸效應(yīng)。 Kubo采用一電子模型求得金屬超微粒子的能級間距為：4Ef/3N。量子尺

8、寸效應(yīng) 式中Ef為費(fèi)米勢能，N為微粒中的原子數(shù)。宏觀物體的N趨向于無限大，因此能級間距趨向于零。納米粒子因?yàn)樵訑?shù)有限，N值較小，導(dǎo)致有一定的值，即能級間距發(fā)生分裂。半導(dǎo)體納米粒子的電子態(tài)由體相材料的連續(xù)能帶隨著尺寸的減小過渡到具有分立結(jié)構(gòu)的能級，表現(xiàn)在吸收光譜上就是從沒有結(jié)構(gòu)的寬吸收帶過渡到具有結(jié)構(gòu)的吸收特性。在納米粒子中處于分立的量子化能級中的電子的波動性帶來了納米粒子一系列特性，如高的光學(xué)非線性，特異的催化和光催化性質(zhì)等。納米材料的基本效應(yīng) 隧道效應(yīng) 微觀粒子具有貫穿勢壘的能力稱為隧道效應(yīng)。人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀量，例如微顆粒的磁化強(qiáng)度、量子相干器件的磁通量以及電荷等亦具有隧道效應(yīng)，它們可以穿

9、越宏觀系統(tǒng)的勢壘產(chǎn)生變化，故稱為宏觀的量子隧道效應(yīng)。用此概念可定性解釋超細(xì)鎳微粒在低溫下保持超順磁性等。隧道效應(yīng)的應(yīng)用 作為勢壘的兩個(gè)納米顆粒間的距離很小時(shí)，對能夠在其間隧穿的電子波長將產(chǎn)生限制，當(dāng)外來電子具有的能量所對應(yīng)的波長符合限定波長時(shí)，電子波可由于共振很容易通過顆粒間隙，形成量子隧穿導(dǎo)電。據(jù)此規(guī)律開發(fā)出一種新型的量子效應(yīng)器件共振隧穿二極管納米材料的基本效應(yīng) 介電限域 納米粒子的介電限域效應(yīng)較少不被注意到。實(shí)際樣品中，粒子被空氣聚合物玻璃和溶劑等介質(zhì)所包圍，而這些介質(zhì)的折射率通常比無機(jī)半導(dǎo)體低。光照射時(shí)，由于折射率不同產(chǎn)生了界面，鄰近納米半導(dǎo)體表面的區(qū)域納米半導(dǎo)體表面甚至納米粒子內(nèi)部的場強(qiáng)比輻射光的光強(qiáng)增大了。這種局部的場強(qiáng)效應(yīng)，對半導(dǎo)體納米粒子的光物理及非線性光學(xué)特性有直接的影響。對于無機(jī)-有機(jī)雜化材料以及用于多相反應(yīng)體系中光催化材料，介電限域效應(yīng)對反