材料物理5納米材料與納米效應課件

5

納米材料與納米效應

1.納米材料的定義:

任何至少有一個維度的尺寸介于1nm至100nm之間的基本單元組成的材料稱為納米材料。

具有尺寸在1nm至100nm之間的納米結(jié)構(gòu)的材料也可廣義地稱之為納米材料。

納米顆粒納米線納米薄膜具有納米厚度的鈍化膜的普通金屬“納米塑料”2023/2/61

納米材料及納米科技的發(fā)展

20世紀80年代研究手段：掃描隧道顯微鏡（STM）原子力顯微鏡（AFM）

用STM針尖搬動48個Fe原子組成的量子柵欄

Co原子在Cu（111）面上組成的人工點陣2023/2/62由C60組成的“納米算盤”（每個C60珠子可由STM針尖移動代表1-10）2023/2/632、量子效應（1）小尺寸系統(tǒng)的量子效應，是指電子的能量被量子化，形成分立的電子態(tài)能級，電子在該系統(tǒng)中的運動受到約束。隨著金屬粒子尺寸的減小，金屬費米能級附近的電子能級由準連續(xù)變?yōu)殡x散能級的現(xiàn)象，以及半導體微粒存在不連續(xù)的最高被占據(jù)分子軌道和最低未被占據(jù)分子軌道，能隙變寬的現(xiàn)象，均稱為量子效應。金屬和半導體的原子、單個粒子及塊體的電子能級示意圖

a）金屬b）半導體2023/2/652、量子效應（2）久保（Kubo）公式：1）從一個超細粒子中取走或放入一個電子都是十分困難的。因此超細微粒保持電中性。從一個超細粒子中取走或放入一個電子需要克服庫侖力所作的功W為：隨著d值的下降，W值增加，所以低溫下熱漲落很難改變超微粒子的電中性。2023/2/662、量子效應（3）久保（Kubo）公式：2）相鄰電子能級間隙Eg和微粒直徑d之間的關系：其中N為一個超細粒子的總導電電子數(shù)，V為粒子的體積，EF為費米能級。

如果假定粒子為球形，則：2023/2/673、界面效應由于納米粒子的尺寸越小，位于表面的原子所占的比例也越大，表面效應越顯著。粒子表面原子所占比例與粒子直徑的關系Bcc和fcc合金的晶界體積分數(shù)與晶粒直徑的關系2023/2/693、界面效應（2）由于表面原子數(shù)增多，原子配位不足及高的表面能，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。例如金屬納米粒子在空氣中會燃燒，無機納米粒子暴露在空氣中會吸附氣體，并與氣體進行反應。納米粒子表面及表面原子的特點：1）具有大量未被原子占據(jù)的位置或空間。2）具有低的配位數(shù)和密度。3）大的原子均方間距。4）存在三叉晶界（也稱旋錯Disclination）。2023/2/6104、宏觀量子隧道效應近來，人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀量，例如微顆粒的磁化強度，量子相干器件中的磁通量等也具有隧道效應，稱為宏觀的量子隧道效應。微觀粒子具有貫穿勢壘的能力稱為隧道效應。宏觀量子隧道效應無論在基礎研究還是實際應用方面都有著非常重要的意義，它限定了磁帶、磁盤進行信息儲存的時間及空間極限。2023/2/611二、納米材料的制備方法（2）2、液相合成法

先將所需組分溶解在液體中形成均相溶液，然后通過反應沉淀得到所需組分的前驅(qū)物，再經(jīng)過熱分解得到所需物質(zhì)。沉淀法（Precipitation）微乳液法（Micro-emulsion）溶膠-凝膠法（Sol-gelmethod）電解沉積法（Electrodeposition）水解法（Hydrolyzation）溶劑蒸發(fā)法（SolventEvaporation）2023/2/613二、納米材料的制備方法（3）3、固相制備法

固體材料在不發(fā)生熔化、氣化的情況下使原始晶體細化或反應生成納米晶體的過程。機械研磨法（MechanicalMilling）固相反應法（SolidReaction）大塑性變形法（SeverePlasticDeformation）非晶晶化法（CrystallizationofAmorphousMaterials）表面納米化法（SurfaceNanocrystallization）2023/2/614二、納米材料的制備方法（4）4、自組裝、模板合成和納米印刷

納米材料和結(jié)構(gòu)的自組裝、模板合成和納米印刷技術，是納米技術的熱點和前沿研究課題，它集合了物理學、化學、生物學和材料科學的許多重要的研究成果。納米材料的自組裝，是在合適的物理、化學條件下，原子團、大分子、納米絲或納米晶體等結(jié)構(gòu)單元，通過氫鍵、范德華力、靜電力等非共價鍵的相互作用，親水-疏水相互作用等自發(fā)地形成具有納米結(jié)構(gòu)材料的過程。自組裝（Self-Assembly）自組裝的過程無外來因素的影響2023/2/615二、納米材料的制備方法（6）納米印刷技術（NanolithographyTechniques）納米印刷技術主要包括電子束平版印刷、X-射線平版印刷和極紫外線平板印刷。2023/2/617三、納米材料的力學性能1）納米材料的彈性模量較常規(guī)本體材料的彈性模量降低了30%~50%。2）納米金屬材料的硬度或強度是本體（塊體）金屬材料的2~7倍。3）納米材料具有負的Hall-Petch關系，即隨著晶粒尺寸的減小，材料的強度降低。4）在較低的溫度下，如室溫附近脆性的陶瓷或金屬間化合物在具有納米晶時，由于擴散相變機制而具有塑性或是超塑性。2023/2/618納米Al合金的超塑性三、納米材料的力學性能（2）納米鎳在不同溫度下的應力-應變曲線2023/2/6191、電導的尺寸效應三、納米材料的電學性能（1）晶粒尺寸和溫度對納米Pd塊體電阻率的影響納米金屬塊體材料的電導隨著晶粒尺寸的減小而減小且有負的電阻溫度系數(shù)。2023/2/6212、納米金屬絲的電導量子化三、納米材料的電學性能（2）根據(jù)測不準原理，Et≥h，其中h為普朗克常數(shù)電導量子可G0可由測不準原理求得。根據(jù)電導定義，G=I/V，V為電位差，電流I為單位時間t通過的電量Q。由于量子限制，對于一個單通道，Q=e，電化學位差E=e

V，由此可以得出：2023/2/6222、納米金屬絲的電導量子化三、納米材料的電學性能（3）金納米絲聯(lián)結(jié)形成及分離過程中電導呈臺階式變化用STM形成納米顆粒聯(lián)結(jié)及分離過程示意圖結(jié)論：每個通道的最大電導不能大于G0=2e2/h2023/2/6233、電導波動及巨電導震蕩三、納米材料的電學性能（5）激光波長=800nm，能量E=530J激光波長=800nm，能量E=100J2023/2/6253、電導波動及巨電導震蕩三、納米材料的電學性能（6）金屬納米絲巨電導震蕩的振幅和弛豫時間取決于初始電導和激光的脈沖時間及輸出的能量。較低的初始電導能產(chǎn)生較大的振幅，初始電導大于200G0，則電導振幅很小。能量適中，持續(xù)時間約為2ms的近線性脈沖能產(chǎn)生最大的電導振幅，同時弛豫時間亦短。持續(xù)時間大于20ms的脈沖不僅不能使振幅增大，反而會使弛豫時間增長。2023/2/6261、矯頑力四、納米材料的磁學性能（1）一些鐵合金的矯頑力與晶粒尺寸D的關系2023/2/6292、超順磁性四、納米材料的磁學性能（2）指的是當微粒體積足夠小時，熱運動能對微粒自發(fā)磁化方向產(chǎn)生影響而引起的磁性。處于超順磁狀態(tài)的材料具有兩個特點：1）無磁滯回線；2）矯頑力為零。Co-Cu合金中富Co粒子的超順磁性2023/2/6303、巨磁電阻效應四、納米材料的磁學性能（3）由磁場引起的材料電阻變化現(xiàn)象稱為磁電阻或磁阻效應（Magnetoresistance，MR）。普通材料的磁阻效應很小，最大值不到2.5%。1988年發(fā)現(xiàn)超過50%的巨磁電阻效應（GiantMR，GMR）1993年發(fā)現(xiàn)R/R可達103~106的龐磁電阻效應（ColossalMR，CMR）1995年發(fā)現(xiàn)磁性隧道結(jié)在室溫下大于10%的GMR效應2023/2/6313、巨磁電阻效應四、納米材料的磁學性能（4）GMR效應

Fe/Cr多層膜的結(jié)構(gòu)a)零磁場時b)超過飽和磁場Hs時Fe/Cr多層膜的GMR效應4.2K2023/2/6323、巨磁電阻效應四、納米材料的磁學性能（5）

非磁性導體隔離層對GMR效應的影響GMR效應對于非磁性導體隔離層的厚度十分敏感。2023/2/6333、巨磁電阻效應四、納米材料的磁學性能（6）a）相鄰磁層磁矩反平行排列b）相鄰磁層磁矩平行排列c）與a對應的電阻網(wǎng)絡示意圖d）與b對應的電阻網(wǎng)絡示意圖GMR效應的二流體模型2023/2/6341、激子五、納米材料的光學性能（1）電子和空穴復合時便發(fā)光，即以光子的形式釋放出能量。

激子（Exciton）可以簡單地理解為束縛的電子-空穴對。

在價帶自由運動的空穴和在導帶自由運動的電子，通過庫侖相互作用束縛在一起，形成束縛的電子-空穴對就形成激子。2023/2/6352、光譜線及移動五、納米材料的光學性能（2）不同尺寸的CdS納米微粒的可見光-紫外吸收光譜比較1、藍移當納米粒子尺寸變小后其所發(fā)出的光向波長短的方向移動的現(xiàn)象。反之，光吸收帶移向長波方向的現(xiàn)象稱為紅移。2023/2/6363、納米材料的光發(fā)射特性五、納米材料的光學性能（3）CdS納米微粒的發(fā)射光譜三條曲線分別對應于不同方法制備的不同尺寸的樣品2023/2/6373、納米材料的光發(fā)射特性五、納米材料的光學性能（4）納米Si微粒室溫下的發(fā)射光譜粒徑d1<d2<d3埋于BaO介質(zhì)中Ag納米微粒的光致熒光增強2023/2/6381、納米材料熔點六、納米材料的熱力學性質(zhì)（1）幾種納米金屬粒子的熔點降低現(xiàn)象2023/2/6392、納米晶體的熱容六、納米材料的熱力學性質(zhì)（2）幾種納米薄膜材料的等容比熱與相應塊體材料等容比熱的比值與原子層數(shù)N的關系2023/2/6402、納米晶體的熱容六、納米材料的熱力學性質(zhì)（3）表格中列出了不同制備方法對納米晶體過剩等壓比熱的影響。惰性氣體冷凝法和高能球磨法所制備的納米晶的過剩比熱很大；而非晶晶化和電解沉積法制備的納米晶卻很小。原因：不同制備方法在材料中引入的缺陷密度不同。2023/2/6412、高分子納米薄膜的熱容六、納米材料的熱力學性質(zhì)（4）2023/2/642