納米材料的基本概念與性質(zhì)

關(guān)于納米材料的基本概念與性質(zhì)第1頁，共66頁，2022年，5月20日，18點37分，星期五1.1納米材料的基本概念從尺寸概念分析：納米材料就是關(guān)于原子團簇、納米顆粒、納米薄膜、納米碳管和納米固體材料的總稱。從特性內(nèi)涵分析：納米材料能夠體現(xiàn)尺寸效應(yīng)(小尺寸效應(yīng))和量子尺寸效應(yīng)。

第2頁，共66頁，2022年，5月20日，18點37分，星期五定義：僅包含幾個到數(shù)百個原子或尺度小于1nm的粒子稱為“簇”，它是介于單個原子與固態(tài)之間的原子集合體。1.1.1原子團簇（atomiccluster）原子團簇的形狀可以是多種多樣的，它們尚未形成規(guī)整的晶體絕大多數(shù)原子團簇的結(jié)構(gòu)不清楚，但巳知有線狀、層狀、管狀、洋蔥狀、骨架狀、球狀等等第3頁，共66頁，2022年，5月20日，18點37分，星期五化學分支包括：合成化學化學動力學晶體化學結(jié)構(gòu)化學原子簇化學原子團簇研究是多學科的交叉物理學分支：原子、分子物理表面物理晶體生長非晶態(tài)其它學科：星際分子、礦巖成因、燃燒煙粒、大氣微晶等．

第4頁，共66頁，2022年，5月20日，18點37分，星期五國家自然科學基金重大項目：“原子團簇的物理和化學”、“團簇組裝納米結(jié)構(gòu)的量子性質(zhì)”南京大學固體微結(jié)構(gòu)國家實驗室團簇物理和納米科學研究組楊先生和馮先生訪問團簇物理研究室第5頁，共66頁，2022年，5月20日，18點37分，星期五一元原子團簇包括金屬團簇(加Nan，Nin等)和非金屬團簇．非金屬團簇可分為碳簇(如C60,C70等)和非碳族(如B，P，S，Si簇等)．二元原子團簇包括InnPm，AgnSm等。多元原子團簇有Vn(C6H6)m等．原子簇化合物是原子團簇與其他分子以配位化學鍵結(jié)合形成的化合物原子團簇可分為一元原子團簇、二元原子團簇、多元原子團簇和原子簇化合物．第6頁，共66頁，2022年，5月20日，18點37分，星期五當前能大量制備并分離的團簇是C60(富勒烯)(富勒烯)第7頁，共66頁，2022年，5月20日，18點37分，星期五C60的結(jié)構(gòu)：C60(富勒烯)由60個碳原子排列而成的32面體，其中20個六邊形，12個五邊形，其直徑為0.7nm。制備C60常用的方法：采用兩個石墨碳棒在惰性氣體（He，Ar）中進行直流電弧放電，并用圍于碳棒周圍的冷凝板收集揮發(fā)物。揮發(fā)物中除了有C60外，還含有C70，C20等其它碳團簇?？梢圆捎盟崛苋テ渌鼒F簇，但往往還混有C70。第8頁，共66頁，2022年，5月20日，18點37分，星期五

僅僅通過調(diào)節(jié)團簇的大小，物質(zhì)特性就有極大的不同，10個鐵原子的團簇在催化氨合成時要比17個鐵原子的團簇效能高出1000倍。

幻數(shù)：構(gòu)成碳團簇的原子數(shù)幻數(shù)為20，24，28，32，36，50，60，70的具有高穩(wěn)定性，其中又以C60最穩(wěn)定。第9頁，共66頁，2022年，5月20日，18點37分，星期五1.1.2納米微粒

定義：微粒尺寸為納米數(shù)量級，它們的尺寸大于原子團簇，小于通常的微粒，一般尺寸為1-l00nm。也有人將它稱為超微粒子（ultra-fineparticle）日本名古屋大學上田良二教授曾經(jīng)給納米微粒下了一個定義：用電子顯微鏡(TEM)能看到的微粒稱為納米微粒。第10頁，共66頁，2022年，5月20日，18點37分，星期五用途：

吸波隱身材料、防輻射材料、單晶硅和精密光學器件拋光材料、電池電極材料、太陽能電池材料、高效催化劑、高效助燃劑、高韌性陶瓷材料、人體修復(fù)材料和抗癌制劑等。由于尺寸小，比表面大和量子尺寸效應(yīng)等原因，它具有不同于常規(guī)固體的新特性。第11頁，共66頁，2022年，5月20日，18點37分，星期五1.1.3納米粒子薄膜與納米粒子層系定義：含有納米粒子和原子團簇的薄膜、納米尺寸厚度的薄膜、納米級第二相粒子沉積鍍層、納米粒子復(fù)合涂層或多層膜

具有特殊的物理性質(zhì)和化學性質(zhì)

復(fù)合薄膜中的納米顆粒

比表面積大尺寸效應(yīng)界面效應(yīng)第12頁，共66頁，2022年，5月20日，18點37分，星期五(Ni-P)-納米Si3N4復(fù)合層用具有很好懸浮性能的納米Si3N4固體微粒作為鍍液的第二相粒子,通過攪拌使其懸浮在鍍液中,用電刷鍍的方法使Ni-P合金與納米Si3N4微粒共沉積于基體表面.它具有沉積速度快、鍍層硬度高和耐磨性好等優(yōu)異的性能.納米級第二相粒子沉積鍍層舉例第13頁，共66頁，2022年，5月20日，18點37分，星期五納米固體是由納米尺度水平的晶界、相界或位錯等缺陷的原子排列來獲得具有新原子結(jié)構(gòu)或微結(jié)構(gòu)性質(zhì)的固體。

1．1．4納米固體納米固體材料（nanostructuredmaterials）主要特征：具有巨大的顆粒間界面，如5納米顆粒所構(gòu)成的固體每立方厘米將含1019個晶界，原子的擴散系數(shù)要比大塊材料高1014～1016倍，從而使得納米材料具有高韌性。第14頁，共66頁，2022年，5月20日，18點37分，星期五含有20％超微鈷顆粒的金屬陶瓷是火箭噴氣口的耐高溫材料；金屬鋁中含進少量的陶瓷超微顆粒，可制成重量輕、強度高、韌性好、耐熱性強的新型結(jié)構(gòu)材料。超微顆粒亦有可能作為漸變（梯度）功能材料的原材料。例如，材料的耐高溫表面為陶瓷，與冷卻系統(tǒng)相接觸的一面為導(dǎo)熱性好的金屬，其間為陶瓷與金屬的復(fù)合體，使其間的成分緩慢連續(xù)地發(fā)生變化，這種材料可用于溫差達1000°C的航天飛機隔熱材料、復(fù)合納米固體材料亦是一個重要的應(yīng)用領(lǐng)域。例如：第15頁，共66頁，2022年，5月20日，18點37分，星期五多孔材料在多相催化、吸附與分離等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛簡介：把納米顆粒組裝成帶有一定孔道結(jié)構(gòu)的體塊多孔納米固體，則可以得到一種既保留了納米顆粒的大部分反應(yīng)活性又具有相當力學強度的固體材料。這類材料與通常的多孔材料的主要區(qū)別在于：A：它的孔道壁表面由高活性的納米顆粒表面構(gòu)成，其活性更高；B：多孔納米固體的孔道壁由納米顆粒構(gòu)成，具有更高的強度和更好韌性。二氧化鋯多孔納米固體的制備（山東大學）

第16頁，共66頁，2022年，5月20日，18點37分，星期五0-0復(fù)合:不同成分、不同相或者不同種類的納米粒子復(fù)合而成的納米固體;0-3復(fù)合:把納米粒子分散到常規(guī)的三維固體中;0-2復(fù)合:把納米粒子分散到二維的薄膜材料中.

均勻彌散:納米粒子在薄膜中均勻分布；非均勻彌散：納米粒子隨機地、混亂地分散在薄膜基體中。

1.1.5納米復(fù)合材料第17頁，共66頁，2022年，5月20日，18點37分，星期五納米復(fù)合材料由于其優(yōu)良的綜合性能，特別是其性能的可設(shè)計性被廣泛應(yīng)用于航空航天、國防、交通、體育等領(lǐng)域，該研究方向主要包括：A：納米聚合物基復(fù)合材料B：納米碳管功能復(fù)合材料C：納米鎢銅復(fù)合材料。

第18頁，共66頁，2022年，5月20日，18點37分，星期五1.1.6碳納米管、納米棒、納米絲器件微小化對新型功能材料提出了更高的要求．因此，20世紀80年代以來，零維的材料取得了很大的進展，但一維納米材料的制備與研究仍面臨著巨大的挑戰(zhàn)。自從1991年日本NEC公司飯島等發(fā)現(xiàn)納米碳管以來，立刻引起了許多科技領(lǐng)域的科學家們極大關(guān)注．

準一維實心的納米材料是指在兩維方向上為納米尺度，長度比上述兩維方向上的尺度大得多，甚至為宏觀量的新型納米材料．縱橫比（長度與直徑的比率）小的稱為納米棒，縱橫比大的稱作納米絲．至今，關(guān)于納米棒與納米絲之間并沒有一個統(tǒng)一的標準，通常把長度小于1mm的納米絲稱為納米棒，長度大于1mm的稱為納米絲線．第19頁，共66頁，2022年，5月20日，18點37分，星期五納米棒第20頁，共66頁，2022年，5月20日，18點37分，星期五因為準一維納米材料在介觀領(lǐng)域和納米器件研制方面有著重要的應(yīng)用前景：它可用作掃描隧道顯微鏡(STM)的針尖納米器件超大集成電路(ULSIC)中的連線光導(dǎo)纖維微電子學方面的微型鉆頭復(fù)合材料的增強劑等目前關(guān)于一維納米材料(納米管、納米絲、納米棒等)的制備研究已有大量報道。第21頁，共66頁，2022年，5月20日，18點37分，星期五碳納米管，是1991年由日本電鏡學家飯島教授通過高分辨電鏡發(fā)現(xiàn)的，屬碳材料家族中的新成員，為黑色粉末狀。是由類似石墨的碳原子六邊形網(wǎng)格所組成的管狀物，它一般為多層，直徑為幾納米至幾十納米，長度可達數(shù)微米甚至數(shù)毫米。

第22頁，共66頁，2022年，5月20日，18點37分，星期五碳納米管本身有非常完美的結(jié)構(gòu)，意味著它有好的性能。它在一維方向上的強度可以超過鋼絲強度，它還有其他材料所不具備的性能：非常好的導(dǎo)電性能、導(dǎo)熱性能和電性能。第23頁，共66頁，2022年，5月20日，18點37分，星期五

碳納米管尺寸盡管只有頭發(fā)絲的十萬分之一，但：

熔點是已知材料中最高的。

像金剛石那樣硬，卻有柔韌性，可以拉伸。

強度是鋼的100倍而重量只有鋼的七分之一。導(dǎo)電率是銅的1萬倍，第24頁，共66頁，2022年，5月20日，18點37分，星期五氮化硅納米絲納米絲

原料：Si粉和納米SiO2粉和N2

模板：碳納米管。該方法將Si粉和納米SiO2粉按一定重量比例混合，使用一雙層剛玉舟，Si和納米SiO2混合粉體放置于剛玉舟下層，將一定量的碳納米管放置于剛玉舟上層，再放入高溫爐中進行還原和氮化，即可制備出氮化硅納米絲；特點：設(shè)備簡便，合成工藝簡單、純度高、成本低。采用納米碳管模板法制備氮化硅納米絲的方法申請?zhí)?專利號：200510120731(廣東工業(yè)大學

)第25頁，共66頁，2022年，5月20日，18點37分，星期五1.2納米微粒的基本性質(zhì)1.電子能級的不連續(xù)性-kubo理論2.量子尺寸效應(yīng)3.小尺寸效應(yīng)4.表面效應(yīng)5.宏觀量子隧道效應(yīng)在此介紹的納米微粒的基本物理效應(yīng)都是在金屬納米微?；A(chǔ)上建立和發(fā)展起來的．實際上，這些基本物理效應(yīng)和相應(yīng)的理論，除了適合納米微粒外，同時也適合團簇和亞微米超微粒子第26頁，共66頁，2022年，5月20日，18點37分，星期五

久保(Kubo)理論是關(guān)于金屬粒子電子性質(zhì)的理論．它是由久保及其合作者提出的，以后久保和其他研究者進一步發(fā)展了這個理論．1986年Halperin對這一理論進行了較全面歸納，用這一理論對金屬超微粒子的量子尺寸效應(yīng)進行了深人的分析。

久保理論是針對金屬超微顆粒費米面附近電子能級狀態(tài)分布而提出來的，它與通常處理大塊材料費米面附近電子態(tài)能級分布的傳統(tǒng)理論不同，有新的特點，這是因為當顆粒尺寸進入到納米級時由于量子尺寸效應(yīng)原大塊金屬的準連續(xù)能級產(chǎn)生離散現(xiàn)象．1.2.1電子能級的不連續(xù)性-kubo理論第27頁，共66頁，2022年，5月20日，18點37分，星期五1.2.2量子尺寸效應(yīng)微粒尺寸下降到一定值時，費米能級附近的電子能級由準連續(xù)能級變?yōu)榉至⒛芗?，這種現(xiàn)象稱為量子尺寸效應(yīng)。第28頁，共66頁，2022年，5月20日，18點37分，星期五

能帶理論表明，金屬費米能級附近電子能級一般是連續(xù)的，這一點只有在高溫或宏觀尺寸情況下才成立．對于只有有限個導(dǎo)電電子的超微粒子來說，低溫下能級是離散的，這時必須要考慮量子尺寸效應(yīng)，這會導(dǎo)致納米微粒磁、光、聲、熱、電以及超導(dǎo)電性與宏觀特性有著顯著的不同。例如：納米微粒的比熱容、磁化率以及導(dǎo)體變絕緣體等。第29頁，共66頁，2022年，5月20日，18點37分，星期五1.2.3小尺寸效應(yīng)

隨著顆粒尺寸的量變，在一定條件下會引起顆粒性質(zhì)的質(zhì)變。由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質(zhì)的變化稱為小尺寸效應(yīng)。對超微顆粒而言，尺寸變小，同時其比表面積亦顯著增加，從而產(chǎn)生如下一系列新奇的性質(zhì)。

（1）特殊的光學性質(zhì)：（2）特殊的熱學性質(zhì)

（3）特殊的磁學性質(zhì)：（4）特殊的力學性質(zhì)

超微顆粒的小尺寸效應(yīng)還表現(xiàn)在超導(dǎo)電性、介電性能、聲學特性以及化學性能等方面。

第30頁，共66頁，2022年，5月20日，18點37分，星期五例如：A：納米微粒的熔點可遠低于塊狀金屬，例如：2nm的金顆粒熔點為600K，隨粒徑增加，熔點迅速上升，塊狀金為1337K；納米銀粉熔點可降低到373K，此特性為粉末冶金工業(yè)提供了新工藝。B：可以改變顆粒尺寸，控制吸收邊的位移，制造具有一定頻寬的微波吸收納米材料，用于電磁波屏蔽、隱形飛機等。第31頁，共66頁，2022年，5月20日，18點37分，星期五1.2.4表面效應(yīng)納米微粒尺寸小，表面能高，位于表面的原子占相當大的比例．左邊表格列出納米微粒尺寸與表面原子數(shù)的關(guān)系：利用表面活性，金屬超微顆粒可望成為新一代的高效催化劑和貯氣材料以及低熔點材料。第32頁，共66頁，2022年，5月20日，18點37分，星期五隨著粒徑減小，表面原子數(shù)迅速增加．這是由于粒徑小，比表面積急劇變大所致．例如，粒徑為10nm時，比表面積為90m2／g，粒徑為5nm時，比表面積為180m2／g，粒徑下降到2nm，比表面積猛增到450m2／g．粒度高的比表面→處于表面的原子數(shù)越來越多→表面能迅速增加第33頁，共66頁，2022年，5月20日，18點37分，星期五第34頁，共66頁，2022年，5月20日，18點37分，星期五表面原子特點：原子配位不滿，多懸空鍵高表面能，高表面活性，使這些表面原子具有高的活性，極不穩(wěn)定，很容易與其他原子結(jié)合

例如：A：金屬的納米粒子在空氣中會燃燒

B：無機的納米粒子暴露在空氣中會吸附氣體，并與氣體進行反應(yīng)

第35頁，共66頁，2022年，5月20日，18點37分，星期五如圖所示的是單一立方結(jié)構(gòu)的晶粒的二維平面圖，假定顆粒為圓形，●－位于表面的原子．○－內(nèi)部原子，顆粒尺寸為3nm，原子間距為約0.3nm，很明顯，實心圓的原子近鄰配位不完全，舉例說明納米粒子表面活性高的原因．

近鄰配位的“A“原子，像“A”這樣的表面原子極不穩(wěn)定，很快跑到“B”位置上，這些表面原子一遇見其他原子，很快結(jié)合，使其穩(wěn)定化，這就是活性高的原因。第36頁，共66頁，2022年，5月20日，18點37分，星期五1.2.5宏觀量子隧道效應(yīng)隧道效應(yīng)：當微觀粒子的總能量小于勢壘高度時，該粒子仍能穿越這一勢壘。在制造半導(dǎo)體集成電路時，當電路的尺寸接近電子波長時，電子就通過隧道效應(yīng)而溢出器件，使器件無法正常工作，經(jīng)典電路的極限尺寸大概在0.25微米。第37頁，共66頁，2022年，5月20日，18點37分，星期五

上述的小尺寸效應(yīng)、表面界面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)及量子隧道效應(yīng)都是納米微粒與納米固體的基本特性。它使納米微粒和納米固體呈現(xiàn)許多奇異的物理、化學性質(zhì)，出現(xiàn)一些“反?，F(xiàn)象”．例如:

金屬為導(dǎo)體，但納米金屬微粒在低溫時由于量子尺寸效應(yīng)會呈現(xiàn)電絕緣性。

眾所周知，金屬由于光反射顯現(xiàn)各種美麗的特征顏色，金屬的納米微粒光反射能力顯著下降，通?？傻陀?％，由于小尺寸和表面效應(yīng)使納米微粒對光吸收表現(xiàn)極強能力；小結(jié)：第38頁，共66頁，2022年，5月20日，18點37分，星期五1．3納米微粒的物理特性

1．3．1納米微粒的結(jié)構(gòu)與形貌

1．3．2納米微粒的熱學性質(zhì)

1．3．3納米粒子的磁學性質(zhì)

1．3．4納米微粒的光學性質(zhì)

1．3．5納米微粒分散物系的動力學性質(zhì)第39頁，共66頁，2022年，5月20日，18點37分，星期五1.3納米微粒的結(jié)構(gòu)與形貌

納米微粒一般為球形或類球形。圖中(a，b，c)分別為納米γ-Al2O3，TiO2和Ni的形貌可以看出，這幾種納米微粒均呈類球形．第40頁，共66頁，2022年，5月20日，18點37分，星期五

最近，有人用高倍超高真空的電子顯微鏡觀察納米球形粒子，結(jié)果在粒子的表面上觀察到原子臺階，微粒內(nèi)部的原子排列比較整齊。第41頁，共66頁，2022年，5月20日，18點37分，星期五除了球形外，納米微粒還具有各種其他形狀，這些形狀的出現(xiàn)與制備方法密切相關(guān)．例如，由氣相蒸發(fā)法合成的鉻微粒，當鉻粒子尺寸小于20nm時，為球形并形成鏈條狀連結(jié)在一起．對于尺寸較大的粒子，α-Cr粒子的二維形態(tài)為正方形或矩形。第42頁，共66頁，2022年，5月20日，18點37分，星期五

鎂的納米微粒呈六角條狀或六角等軸形．

Kimoto和Nishida觀察到銀的納米微粒具有五邊形10面體形狀。第43頁，共66頁，2022年，5月20日，18點37分，星期五

熔點比較低的原因：由于顆粒小，納米微粒的表面能高、比表面原子數(shù)多，這些表面原子近鄰配位不全，活性大以及體積遠小于大塊材料，納米粒子熔化時所需增加的內(nèi)能小得多，這就使得納米微粒熔點急劇下降．1.3.2納米微粒的熱學性能納米微粒的熔點、開始燒結(jié)溫度和晶化溫度均比常規(guī)粉體的低得多．第44頁，共66頁，2022年，5月20日，18點37分，星期五Wronski計算出Au微粒的粒徑與熔點的關(guān)系，結(jié)果如圖所示．由圖中可看出，當粒徑小于10nm時，熔點急劇下降．例如，大塊Pb的熔點為600K，

20nm球形Pb微粒熔點降低288K；納米Ag微粒在低于373K開始熔化，常規(guī)Ag的熔點為1173K左右．第45頁，共66頁，2022年，5月20日，18點37分，星期五

所謂燒結(jié)溫度是指把粉末先用高壓壓制成形，然后在低于熔點的溫度下使這些粉末互相結(jié)合成塊，密度接近常規(guī)材料的最低加熱溫度。燒結(jié)溫度較低的原因：納米微粒尺寸小，表面能高，壓制成塊材后的界面具有高能量，在燒結(jié)中高的界面能成為原子運動的驅(qū)動力，有利于界面中的孔洞收縮，因此，在較低的溫度下燒結(jié)就能達到致密化的目的，即燒結(jié)溫度降低．第46頁，共66頁，2022年，5月20日，18點37分，星期五例如：常規(guī)Al2O3燒結(jié)溫度在2073-2173K，在一定條件下，納米的Al2O3可在1423K至1773K燒結(jié)，致密度可達99.7％．常規(guī)Si3N4燒結(jié)溫度高于2273K，納米氮化硅燒結(jié)溫度降低673K至773K。第47頁，共66頁，2022年，5月20日，18點37分，星期五

納米TiO2在773K加熱呈現(xiàn)出明顯的致密化，而晶粒僅有微小的增加，致使納米微粒TiO2在比大晶粒樣品低873K的溫度下燒結(jié)就能達到類似的硬度．圖1第48頁，共66頁，2022年，5月20日，18點37分，星期五應(yīng)用A：超細銀粉制成的導(dǎo)電漿料可以進行低溫燒結(jié)，此時元件的基片不必采用耐高溫的陶瓷材料，甚至可用塑料。采用超細銀粉漿料，可使膜厚均勻，覆蓋面積大，既省料又具高質(zhì)量。B：超微顆粒熔點下降的性質(zhì)對粉末冶金工業(yè)具有一定的吸引力。例如，在鎢顆粒中附加0.1％～0.5％重量比的超微鎳顆粒后，可使燒結(jié)溫度從3000℃降低到1200～1300℃，以致可在較低的溫度下燒制成大功率半導(dǎo)體管的基片。第49頁，共66頁，2022年，5月20日，18點37分，星期五納米微粒的小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)等使得它具有常規(guī)粗晶粒材料所不具備的磁特性．納米微粒的主要磁特性可以歸納如下：

(1)超順磁性SuperparamagneticEffect

超順磁性是指當磁性粒子的粒徑小于某一臨界尺寸(如Fe3O4<30nm)后,在有外加磁場存在時,表現(xiàn)出較強的磁性.但當外磁場撤消時,無剩磁,不再表現(xiàn)出磁性1.3.3磁學性能

納米微粒尺寸小到一定臨界值時進入超順磁狀態(tài)

第50頁，共66頁，2022年，5月20日，18點37分，星期五(2)矯頑力coercivity矯頑力：是指破壞磁體磁化狀態(tài)所需之力也就是使磁感沿磁滯回線減少至零時所需的磁場強度.矯頑力通常以Hc表示,它是粒子形態(tài)和尺寸的函數(shù).以磁中性狀態(tài)(H=M=B=0)為起始態(tài),當磁狀態(tài)沿起始磁化曲線0ABC磁化到C點附近（如圖）時，此時磁化強度趨于飽和,曲線幾乎與H軸平行。將此時磁場強度記為Hs,磁化強度記為Ms。此后若減小磁場，則從某一磁場(B點)開始,M隨H的變化偏離原先的起始磁化曲線,M的變化落后于H。當H減小至零時,M不減小到零,而等于剩余磁化強度Mr。為使M減至零,需加一反向磁場,稱為矯頑力。

納米微粒尺寸高于超順磁臨界尺寸時通常呈現(xiàn)高的矯頑力Hc．見圖1.10第51頁，共66頁，2022年，5月20日，18點37分，星期五第52頁，共66頁，2022年，5月20日，18點37分，星期五(3)居里溫度

居里溫度Tc為物質(zhì)磁性的重要參數(shù)．對于薄膜，理論與實驗研究表明，隨著鐵磁薄膜厚度的減小，居里溫度下降．對于納米微粒，由于小尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)而具有較低的居里溫度．

定義：鐵磁相和順磁相的轉(zhuǎn)變溫度。第53頁，共66頁，2022年，5月20日，18點37分，星期五1.3.4納米微粒的光學性質(zhì)

特殊光學性質(zhì)產(chǎn)生的原因：

A：納米粒子的一個最重要的標志是尺寸與物理的特征量相差不多，例如，當納米粒子的粒徑與超導(dǎo)相干波長、玻爾半徑以及電子的德布羅意波長相當時，小顆粒的量子尺寸效應(yīng)十分顯著．

B：表面效應(yīng)：大的比表面使處于表面態(tài)的原子，電子與處于小顆粒內(nèi)部的原子、電子的行為有很大的差別.第54頁，共66頁，2022年，5月20日，18點37分，星期五

大塊金屬具有不同顏色的光澤．這表明它們對可見光范圍各種顏色(波長)的反射和吸收能力不同；當尺寸減小到納米級時各種金屬納米微粒幾乎都呈黑色．它們對可見光的反射率極低，例如鉑金納米粒子的反射率為1％，金納米粒子的反射率小于10％．這種對可見光低反射率．強吸收率導(dǎo)致粒子變黑．表面效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)對納米微粒的光學特性有很大的影響．甚至使納米微粒具有同樣材質(zhì)的宏觀大塊物體不具備的新的光學特性．主要表現(xiàn)為如下幾方面：(1)

寬頻帶強吸收

A：強吸收第55頁，共66頁，2022年，5月20日，18點37分，星期五

許多納米微粒，例如，ZnO，F(xiàn)e2O3和TiO2等，對紫外光有強吸收作用，而亞微米級的TiO2對紫外光幾乎不吸收．納米氮化硅、SiC及Al2O3粉對紅外有一個寬頻帶強吸收譜。原因：納米粒子大的比表面導(dǎo)致了平均配位數(shù)下降，不飽和懸鍵增多，與常規(guī)大塊材料不同，沒有一個單一的、折優(yōu)的鍵振動模式，而存在一個較寬的鍵振動模的分布，在紅外光場作用下，它們對紅外吸收的頻率也就存在一個較寬的分布，這就導(dǎo)致了納米粒子紅外吸收帶的寬化。B：寬頻帶利用納米微粒強吸收特性可以作為高效率的光熱、光電等轉(zhuǎn)換材料，可以高效率地將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?、電能。此外又有可能?yīng)用于紅外敏感元件、紅外隱身技術(shù)等。第56頁，共66頁，2022年，5月20日，18點37分，星期五(2)藍移和紅移現(xiàn)象

與大塊材料相比，納米微粒的吸收帶普遍存在“藍移”現(xiàn)象，即吸收帶移向短波長方向。例如A：納米SiC顆粒和大塊SiC固體的峰值紅外吸收頻率分別是814cm-1和794cm-1．納米SiC顆粒的紅外吸收頻率較大塊固體藍移了20cm-1．B：納米氮化硅顆粒和大塊Si3N4固體的峰值紅外吸收頻率分別是949cm-1和935cm-1，納米氮化硅顆粒的紅外吸收頻率比大塊固體藍移了14cm-1．第57頁，共66頁，2022年，5月20日，18點37分，星期五第58頁，共66頁，2022年，5月20日，18點37分，星期五在一些情況下，粒徑減小至納米級時，可以觀察到光吸收帶相對粗晶材料呈現(xiàn)“紅移”現(xiàn)象．即吸收帶移向長波長．例如在200~1400nm波長范圍：

A：單晶NiO呈現(xiàn)八個光吸收帶．它們的峰位分別為3.52，3.25，2.95，2.75，2.15，1.95和1.13eV

納米NiO(粒徑在54—84nm范圍)不呈現(xiàn)3.52