1納米材料的神奇特性及其廣闊的應(yīng)用前景

1納米材料的神奇特性及其廣闊的應(yīng)用前景一、納米材料的顯著性質(zhì)及其寬闊的應(yīng)用前景

1.表面效應(yīng)

球型顆粒的表面積與直徑的平方成正比，其體積與直徑的立方成正比，故其比表面積（表面積/體積）與直徑成反比。隨著顆粒直徑的變小，比表面積將會顯著地增加，顆粒表面原子數(shù)相對增多，從而使這些表面原子具有很高的活性且極不穩(wěn)定，致使顆粒表現(xiàn)出不一樣的特性，這就是表面效應(yīng)。尤其是當(dāng)物質(zhì)的尺寸減小到納米級，將引起表面原子數(shù)、表面積、表面能的快速增加，引發(fā)物質(zhì)化學(xué)活性、光學(xué)、熱學(xué)和電學(xué)性質(zhì)的轉(zhuǎn)變。這是由于表面原子的晶體場和結(jié)合能與內(nèi)部原子的不同，表面原子四周缺少相鄰的原子，有很多懸空鍵，具有不飽和性，易與其它原子相結(jié)合而穩(wěn)定下來，具有很大的化學(xué)活性，從而使表面能大大增加。

納米顆粒的表面具有很高的活性，在空氣中金屬顆粒會快速氧化而燃燒。如要防止自燃，可采納表面包覆或有意識地掌握氧化速率，使其緩慢氧化生成一層極薄而致密的氧化層，確保表面穩(wěn)定化。利用表面活性，金屬超微顆?？赏蔀樾乱淮母咝Т呋瘎┖唾A氣材料以及低熔點(diǎn)材料。

2.小尺寸效應(yīng)

當(dāng)物質(zhì)的體積減小時，將會消失兩種情形：一種是物質(zhì)本身的性質(zhì)不發(fā)生變化，而只有那些與體積親密相關(guān)的性質(zhì)發(fā)生變化，如半導(dǎo)體電子自由程變小，磁體的磁區(qū)變小等；另一種是物質(zhì)本身的性質(zhì)也發(fā)生了變化，當(dāng)納米材料的尺寸與傳導(dǎo)電子的德布羅意波長相當(dāng)或更小時，周期性的邊界條件將被破壞，材料的磁性、內(nèi)壓、光汲取、熱阻、化學(xué)活性、催化活性及熔點(diǎn)等與一般晶粒相比都有很大的變化，這就是納米材料的體積效應(yīng)，亦即小尺寸效應(yīng)。

這種特異效應(yīng)為納米材料的應(yīng)用開拓了寬闊的新領(lǐng)域，例如，隨著納米材料粒徑的變小，其熔點(diǎn)不斷降低，燒結(jié)溫度也顯著下降，從而為粉末冶金工業(yè)供應(yīng)了新工藝；利用等離子共振頻移隨晶粒尺寸變化的性質(zhì)，可通過轉(zhuǎn)變晶粒尺寸來掌握汲取邊的位移，從而制造出具有肯定頻寬的微波汲取納米材料。

3.量子尺寸效應(yīng)

各種元素的原子具有特定的光譜線，如鈉原子具有黃色的光譜線。原子模型與量子力學(xué)已用能級的概念進(jìn)行了合理的解釋，由很多的原子構(gòu)成固體時，單獨(dú)原子的能級就并合成能帶，由于電子數(shù)目許多，能帶中能級的間距很小，因此可以看作是連續(xù)的，從能帶理論動身勝利地解釋了大塊金屬、半導(dǎo)體、絕緣體之間的聯(lián)系與區(qū)分，對介于原子、分子與大塊固體之間的超微顆粒而言，大塊材料中連續(xù)的能帶將分裂為分立的能級；能級間的間距隨顆粒尺寸減小而增大。當(dāng)熱能、電場能或者磁場能比平均的能

級間距還小時，就會呈現(xiàn)一系列與宏觀物體截然不同的反常特性，稱之為量子尺寸效應(yīng)。

例如，導(dǎo)電的金屬在超微顆粒時可以變成絕緣體，磁矩的大小和顆粒中電子是奇數(shù)還是偶數(shù)有關(guān)，比熱亦會反常變化，光譜線會產(chǎn)生向短波長方向的移動，這就是量子尺寸效應(yīng)的宏觀表現(xiàn)。因此，對超微顆粒在低溫條件下必需考慮量子效應(yīng)，原有宏觀規(guī)律已不再成立。

4.宏觀量子隧道效應(yīng)

材料中作為基本粒子之一的電子既具有粒子性，又具有波動性，這就是微觀粒子的波粒二象性。而量子隧道效應(yīng)則是全部量子力學(xué)體系的基本特性之一。

納米材料是一個典型的量子力學(xué)體系。因此，宏觀量子隧道效應(yīng)將會成為將來微電子、光電子器件的基礎(chǔ)，同時也限定了采納磁帶磁盤進(jìn)行信息儲存的最短時間。在制造半導(dǎo)體集成電路時，當(dāng)電路的尺寸接近電子波長時，電子就會發(fā)生隧道效應(yīng)而使器件無法正常工作。理論猜測表明，經(jīng)典電路的極限尺寸也許為35nm,而目前大規(guī)模集成電路的線寬已經(jīng)達(dá)到70nm?？茖W(xué)家們已經(jīng)勝利研制出的單電子晶體管（量子共振隧穿晶體管）就是利用量子效應(yīng)制成的新一代器件，并有望成為新一代計算機(jī)的基礎(chǔ)。

在納米領(lǐng)域，重要的討論工具STM（掃描隧道顯微鏡）的工作原理于這種效應(yīng)有關(guān)。

5.介電限域效應(yīng)

隨著納米晶粒粒徑的不斷減小和比表面積不斷增加，其表面狀態(tài)的轉(zhuǎn)變將會引起微粒性質(zhì)的顯著變化。例如，當(dāng)在半導(dǎo)體納米材料表面修飾一層某種介電常數(shù)較小的介質(zhì)時，相對暴露于半導(dǎo)體納米材料四周的其它介質(zhì)而言，被包覆的納米材料中電荷載體的電力線更易穿過這層包覆膜，從而導(dǎo)致它比暴露納米材料的光學(xué)性質(zhì)發(fā)生了較大的變化，這就是介電限域效應(yīng)。當(dāng)納米材料與介質(zhì)的介電常數(shù)值相差較大時，便產(chǎn)生明顯的介電限域效應(yīng)，此時，帶電粒子間的庫侖作用力增加，結(jié)果增加了電子-空穴對之間的結(jié)合能和振子強(qiáng)度，減弱了產(chǎn)生量子尺寸效應(yīng)的主要因素——電子-空穴對之間的空間限域能，即此時表面效應(yīng)引起的能量變化大于空間效應(yīng)所引起的能量變化，從而使能帶間隙減小，反映在光學(xué)性質(zhì)上就是汲取光譜表現(xiàn)出明顯的紅移現(xiàn)象。納米材料與介質(zhì)的介電常數(shù)相差越大，介電限域效應(yīng)就越明顯，汲取光譜紅移也就越大。近年來，在納米Al2O3、Fe2O3、SnO2中均觀看到了紅外振動汲取。

6.庫侖堵塞效應(yīng)

為了形象地解釋什么是庫侖堵塞現(xiàn)象(Coulombblockade)，不妨首先考慮一種假想狀況。假如有一金屬微粒與其四周外界在電學(xué)上是絕緣的，只有在特定的條件下電子才可能從外面隧穿進(jìn)入該金屬微粒。當(dāng)金屬微粒的尺寸足夠小時它與四周外界之間的電容C可小到l0^-16F的量級．在這種

條件下每當(dāng)單個電子從外面隧穿進(jìn)入金屬散粒時(有時也稱它為孤立的庫侖島)，它給庫侖島附加的充電能/C

e2(e為電子電荷)可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于低溫下的熱運(yùn)動能量kT(k為玻耳茲曼常數(shù)，T是肯定溫度)。這樣就會消失一種非常好玩的現(xiàn)象：一旦某個電子隧穿進(jìn)入了金屬微粒，它將阻擋隨后的其次個電子再進(jìn)入同一金屬微粒。由于這樣的過程將導(dǎo)致系統(tǒng)總能的增加，所以是不允許發(fā)生的過程．這就是庫侖堵塞現(xiàn)象。很明顯，只有等待某個電子離開庫侖島以后，島外的另一個電子才有可能再進(jìn)入。這樣利用庫侖堵塞效應(yīng)就有可能使電子逐個隧穿進(jìn)出庫侖島，實(shí)現(xiàn)單電子隧穿過程。庫侖堵塞概念的提出最早可以追溯到1951年，Gorter等人為了解釋顆粒狀金屬電阻隨溫度下降所表現(xiàn)出來的反常增加行為，假想材辯中每個金屬微粒與其四周的微粒在電學(xué)上是絕緣的，欄互之間存在著隧穿勢壘。他們認(rèn)為直接利用前面提到的庫侖堵塞的簡潔概念，可以解釋電阻反常增加的行為。在提出庫侖堵塞概念的36年以后，也即直到1987年，才在由兩個微型金屬隧穿結(jié)串聯(lián)組成的系統(tǒng)上直接觀看到電導(dǎo)的庫侖堵塞振蕩。

利用單電子現(xiàn)象中的庫侖堵塞效應(yīng)為基本工作原理已經(jīng)設(shè)計和制造出多種單電子器件。主要包括：單電子盒器件（觀看單電子現(xiàn)象的極好樣板，并且現(xiàn)在已經(jīng)提出應(yīng)用單電子盒作為量子比特(qubit)設(shè)想），單電子陷阱（克服了單電子盒器件沒有記憶缺陷），單電子晶體管（克服了單電子盒器件不能負(fù)載直流電流的缺陷），單電子旋轉(zhuǎn)門（可看作是單電子盒的兩種推廣組合），單電子泵（兩個島的單電子泵可看作是兩個單電子盒通過隧道結(jié)連接在一起，包含三個隧道結(jié)和兩個柵極），多隧道結(jié)電路。單電子器件及其各種應(yīng)用構(gòu)成了電子學(xué)的一個新的領(lǐng)域——單電子學(xué)?！都{電子學(xué)》

第五章單電子現(xiàn)象及器件

7.特別的光學(xué)性質(zhì)

當(dāng)黃金被細(xì)分到小于光波波長的尺寸時，即失去了原有的富貴光澤而呈黑色。事實(shí)上，全部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（白金）變成鉑黑，金屬鉻變成鉻黑。由此可見，金屬超微顆粒對光的反射率很低，通?？傻陀趌％，大約幾微米的厚度就能完全消光。利用這個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。

8.特別的熱學(xué)性質(zhì)

固態(tài)物質(zhì)在其形態(tài)為大尺寸時，其熔點(diǎn)是固定的，超微小化后卻發(fā)覺其熔點(diǎn)將顯著降低，當(dāng)顆粒小于10納米量級時尤為顯著。例如，金的常規(guī)熔點(diǎn)為1064C℃，當(dāng)顆粒尺寸減小到10納米尺寸時，則降低27℃，2納米尺寸時的熔點(diǎn)僅為327℃左右；銀的常規(guī)熔點(diǎn)為670℃，而超微銀顆粒的熔點(diǎn)可低于100℃。超微顆粒的表面與大塊物體的表面是非常不同的，若用高倍率電子顯微鏡觀看金超微顆粒（直徑為2nm），發(fā)覺這些顆粒沒有固定的形態(tài)，隨著時間的變化會自動形成各種外形（如立方八面體，十面體，二十面體等），它既不同于一般固體，又不同于液體，是一種準(zhǔn)固體。在電

子顯微鏡的電子束照耀下，表面原子仿佛進(jìn)入了“沸騰”狀態(tài)，尺寸大于10納米后才看不到這種顆粒結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性，這時微顆粒具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

9.特別的磁學(xué)性質(zhì)

人們發(fā)覺鴿子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趨磁細(xì)菌等生物體中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，具有回歸的本事。磁性超微顆粒實(shí)質(zhì)上是一個生物磁羅盤，生活在水中的趨磁細(xì)菌依靠它游向養(yǎng)分豐富的水底。通過電子顯微鏡的討論表明，在趨磁細(xì)菌體內(nèi)通常含有微小的磁性氧化物顆粒。小尺寸的超微顆粒磁性與大塊材料顯著的不同，當(dāng)顆粒尺寸減小到20nm以下時，其矯頑力可增加1千倍，若進(jìn)一步減小其尺寸，大約小于6nm時，其矯頑力反而降低到零，呈現(xiàn)出超順磁性。利用磁性超微顆粒具有高矯頑力的特性，已作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，人們已將磁性超微顆粒制成用途廣泛的磁性液體。

10.特別的力學(xué)性質(zhì)

陶瓷材料在通常狀況下呈脆性，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。由于納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簡單遷移，因此表現(xiàn)出甚佳的

韌性與肯定的延展性，使陶瓷材料具有新穎的力學(xué)性質(zhì)。美國學(xué)者報道氟化鈣納米材料在室溫下可以大幅度彎曲而不斷裂。討論表明，人的牙齒之所以具有很高的強(qiáng)度，是由于它是由磷酸鈣等納米材料構(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。至于金屬一陶瓷等復(fù)合納米材料則可在更大的范圍內(nèi)轉(zhuǎn)變材料的力