材料物理5納米材料與納米效應(yīng)課件

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納米材料與納米效應(yīng)

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(jì)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?xùn)艡?/p>

Co原子在Cu（111）面上組成的人工點(diǎn)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(yīng)（1）小尺寸系統(tǒng)的量子效應(yīng)，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(yùn)動受到約束。隨著金屬粒子尺寸的減小，金屬費(fèi)米能級附近的電子能級由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散能級的現(xiàn)象，以及半導(dǎo)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(yīng)。金屬和半導(dǎo)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(dǎo)體2023/2/652、量子效應(yīng)（2）久保（Kubo）公式：1）從一個超細(xì)粒子中取走或放入一個電子都是十分困難的。因此超細(xì)微粒保持電中性。從一個超細(xì)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(yīng)（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(guān)系：其中N為一個超細(xì)粒子的總導(dǎo)電電子數(shù)，V為粒子的體積，EF為費(fèi)米能級。

如果假定粒子為球形，則：2023/2/673、界面效應(yīng)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(yīng)越顯著。粒子表面原子所占比例與粒子直徑的關(guān)系Bcc和fcc合金的晶界體積分?jǐn)?shù)與晶粒直徑的關(guān)系2023/2/693、界面效應(yīng)（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(jī)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)。納米粒子表面及表面原子的特點(diǎn)：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(yīng)近來，人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀量，例如微顆粒的磁化強(qiáng)度，量子相干器件中的磁通量等也具有隧道效應(yīng)，稱為宏觀的量子隧道效應(yīng)。微觀粒子具有貫穿勢壘的能力稱為隧道效應(yīng)。宏觀量子隧道效應(yīng)無論在基礎(chǔ)研究還是實(shí)際應(yīng)用方面都有著非常重要的意義，它限定了磁帶、磁盤進(jìn)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(yīng)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(xì)化或反應(yīng)生成納米晶體的過程。機(jī)械研磨法（MechanicalMilling）固相反應(yīng)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(shù)，是納米技術(shù)的熱點(diǎn)和前沿研究課題，它集合了物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)和材料科學(xué)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(xué)條件下，原子團(tuán)、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(shù)（NanolithographyTechniques）納米印刷技術(shù)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(xué)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(qiáng)度是本體（塊體）金屬材料的2~7倍。3）納米材料具有負(fù)的Hall-Petch關(guān)系，即隨著晶粒尺寸的減小，材料的強(qiáng)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(kuò)散相變機(jī)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(xué)性能（2）納米鎳在不同溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線2023/2/6191、電導(dǎo)的尺寸效應(yīng)三、納米材料的電學(xué)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(dǎo)隨著晶粒尺寸的減小而減小且有負(fù)的電阻溫度系數(shù)。2023/2/6212、納米金屬絲的電導(dǎo)量子化三、納米材料的電學(xué)性能（2）根據(jù)測不準(zhǔn)原理，Et≥h，其中h為普朗克常數(shù)電導(dǎo)量子可G0可由測不準(zhǔn)原理求得。根據(jù)電導(dǎo)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(xué)位差E=e

V，由此可以得出：2023/2/6222、納米金屬絲的電導(dǎo)量子化三、納米材料的電學(xué)性能（3）金納米絲聯(lián)結(jié)形成及分離過程中電導(dǎo)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(dǎo)不能大于G0=2e2/h2023/2/6233、電導(dǎo)波動及巨電導(dǎo)震蕩三、納米材料的電學(xué)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(dǎo)波動及巨電導(dǎo)震蕩三、納米材料的電學(xué)性能（6）金屬納米絲巨電導(dǎo)震蕩的振幅和弛豫時間取決于初始電導(dǎo)和激光的脈沖時間及輸出的能量。較低的初始電導(dǎo)能產(chǎn)生較大的振幅，初始電導(dǎo)大于200G0，則電導(dǎo)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(dǎo)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(xué)性能（1）一些鐵合金的矯頑力與晶粒尺寸D的關(guān)系2023/2/6292、超順磁性四、納米材料的磁學(xué)性能（2）指的是當(dāng)微粒體積足夠小時，熱運(yùn)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(diǎn)：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(yīng)四、納米材料的磁學(xué)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(yīng)（Magnetoresistance，MR）。普通材料的磁阻效應(yīng)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(yīng)（GiantMR，GMR）1993年發(fā)現(xiàn)R/R可達(dá)103~106的龐磁電阻效應(yīng)（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(yīng)2023/2/6313、巨磁電阻效應(yīng)四、納米材料的磁學(xué)性能（4）GMR效應(yīng)

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(yīng)4.2K2023/2/6323、巨磁電阻效應(yīng)四、納米材料的磁學(xué)性能（5）

非磁性導(dǎo)體隔離層對GMR效應(yīng)的影響GMR效應(yīng)對于非磁性導(dǎo)體隔離層的厚度十分敏感。2023/2/6333、巨磁電阻效應(yīng)四、納米材料的磁學(xué)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(yīng)的電阻網(wǎng)絡(luò)示意圖d）與b對應(yīng)的電阻網(wǎng)絡(luò)示意圖GMR效應(yīng)的二流體模型2023/2/6341、激子五、納米材料的光學(xué)性能（1）電子和空穴復(fù)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(yùn)動的空穴和在導(dǎo)帶自由運(yùn)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(xué)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(lán)移當(dāng)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(xué)性能（3）CdS納米微粒的發(fā)射光譜三條曲線分別對應(yīng)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(xué)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(qiáng)2023/2/6381、納米材料熔點(diǎn)六、納米材料的熱力學(xué)性質(zhì)（1）幾種納米金屬粒子的熔點(diǎn)降低現(xiàn)象2023/2/6392、納米晶體的熱容六、納米材料的熱力學(xué)性質(zhì)（2）幾種納米薄膜材料的等容比熱與相應(yīng)塊體材料等容比熱的比值與原子層數(shù)N的關(guān)系2023/2/6402、納米晶體的熱容六、納米材料的熱力學(xué)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(xué)性質(zhì)（4）2023/2/642