04 第四章 纳米材料的特性
纳米材料的特性
全面性 光触媒可以有效地降解甲醛、苯、甲苯、二甲苯、
氨、TVOC等污染物，并具有高效广泛的消毒性能，能 将细菌或真菌释放出的毒素分解及无害化处理。 持续性
在反应过程中，光触媒本身不会发生变化和损耗， 在光的照射下可以持续不断的净化污染物，具有时间 持久、持续作用的优点。 安全性
无毒、无害，对人体安全可靠；最终的反应产物为 二氧化碳、水和其他无害物质，不会产生二次污染。 高效性
莲花效应主要是指莲叶 表面具有超疏水 (superhydrophobicity) 以及自洁(self-cleaning) 的特性
莲花效应
出淤泥而 不染
①纳米尺寸的物理结构 ②疏水性的米微米级的 超微结构。荷叶表面上有许多微小的乳突，乳突 的平均大小约为10微米，平均间距约12微米。而 每个乳突有许多直径为200纳米左右的 突起组成的。
Ⅰ.溶胶—凝胶法
溶胶—凝胶法的化学过程首先是将原料分散在溶剂中,然后经过水解反应生成活性单体, 活性单体进行聚合,开始成为溶胶,进而生成具有一定空间结构的凝胶。
Ⅱ.离子液法
离子液作为一种特殊的有机溶剂,具有独特的物理化学性质,如粘度较大、离子传导性较高、 热稳定性高、低毒、流动性好以及具有较宽的液态温度范围等。即使在较高的温度下,离 子液仍具有低挥发性,不易造成环境污染,是一类绿色溶剂。因此,离子液是合成不同形貌纳 米结构的一种良好介质。
纳米材料的特性
纳米相材料在结构上与常规的晶态和非晶态体系有很大 的差别，表现为：小尺寸、能级离散性显著、表(界)面原子比 例高、界面原子排列和键的组态的无规则性较大等。这些特 征导致纳米材料的光学性质出现一些不同于常规晶态和非晶 态的新现象。
纳米材料的光学性质
1、宽频带强吸收
大块金属具有不同颜色的金属光泽，表明它们对可见光 范围各种颜色(波长)的光的反射和吸收能力不同。而当尺寸减 小到纳米级时，各种金属纳米微粒几乎都呈黑色。它们对可 见光的反射率极低，而吸收率相当高。例如，Pt纳米粒子的 反射率为1％，Au纳米粒子的反射率小于10％。这种对可见光 低反射率，强吸收率导致粒子变黑。
纳米微粒具有大的比表面积，表面原子数、表面能和表面张力 随粒径的下降急剧增加，小尺寸效应，表面效应、量子尺寸效应及 宏观量子隧道效应等导致纳米微粒的热、磁、光、敏感特性和表面 稳定性等不同于常规粒子，这就使得它具有广阔应用前景。
§1. 纳米材料的热学性质
1、熔点显著降低
金纳米微粒的粒径与熔点的关系
35nm 15nm 8nm
纳米材料的热学性质 纳米材料的熔点降低、烧结温 度降低、晶化温度降低等热学性质 的显著变化来源于纳米材料的表
（界）面效应。
§2. 纳米材料的光学性质
纳米粒子的一个最重要的标志是尺寸与物理的特征 玻尔半径以及电子的德布罗意波长相当时，小颗粒的量 子尺寸效应十分显著。与此同时，大的比表面使处于表
纳米材料的光学性质
如图：由不同粒径的CdS纳 米微粒的吸收光谱看出，随着微 粒尺寸的变小而有明显的蓝移。 体相PbS的禁带宽度较窄， 吸收带在近红外，但是PbS体相 中的激子玻尔半径较大(大于 10nm)，更容易达到量子限域。 当其尺寸小于3nm时，吸收光谱 已移至可见光区。
纳米材料的特性
纳米材料的特性
纳米材料具有许多独特的特性，这些特性使其在各种领域中都具有广泛的应用前景。
以下是一些常见的纳米材料特性：
1.尺寸效应：纳米材料的尺寸通常在纳米级别，相比于宏观材料，其尺寸效应显著，导致其性能和行为发生变化。
例如，纳米颗粒的大比表面积可以增强其化学反应活性和光学性能。
2.表面效应：纳米材料的表面积与体积之比较大，因此表面效应对其性质具有显著影响。
例如，纳米材料的表面能、吸附性和电荷分布等表面特性与宏观材料不同。
3.量子效应：在纳米尺度下，量子效应开始显现，如量子限制效应、量子点效应等，这些效应导致纳米材料在光学、电学和磁学等方面表现出特殊的量子性质。
4.机械性能：纳米材料具有优异的力学性能，例如高强度、高硬度、高韧性等，这些性能使其在材料强化、纳米机械器件等方面具有重要应用价值。
5.光学性能：纳米材料的光学性能受到量子效应和尺寸效应的影响，表现出独特的光学特性，如量子点荧光、等离子体共振、表面增强拉曼散射等。
6.电学性能：纳米材料具有优异的电学性能，如高导电性、高介电常数、量子隧穿效应等，使其在电子器件、传感器、能源存储等领域具有广泛应用。
7.热学性能：纳米材料的热传导性能通常比宏观材料更好，这归因于其大比表面积和量子限制效应，因此被广泛应用于热界面材料、热导电器件等领域。
纳米材料的这些特性使其在材料科学、纳米技术、生物医学、电子器件等领域具有广泛的应用前景，对于推动科学研究和技术创新具有重要作用。
纳米材料的特性
纳米粒子的反常特性
傳統的鉑(Pt)材料是為銀色，且具化學性質極為穩定的惰性貴 重金屬。若製成奈米微粒，則其外觀會由銀色轉變為黑色，故 被稱為鉑黑。且因尺寸效應和大比例的表面積效應使之從惰性 物質轉變成為活性極好的催化劑。 一般金屬的色澤是由於可見光照射到金屬表面，因對不同特 定波長的可見光產生反射後，而顯現出各種美麗光澤所得的特 徵顏色。然而，由於小尺寸和表面效應的存在，使得奈米金屬 微粒的表面對所有可見光具有極強的吸收能力，致使奈米金屬 微粒對可見光的反射能力顯著地下降許多，甚至下降至1%以下。 由較寬化的吸收光譜測量結果發現，奈米微粒所組成的奈米 固體材料對不同波長的可見光具有均勻一致的吸收性，譬如奈 米複合多層膜結構材料在7~17 GHz頻率範圍內的吸收峰高達14 dB，而在10 dB水平的吸收頻寬則可寬達2 GHz。
表面积效应
奈米微顆粒的表面與大塊物體的表面是十分不同的，若用高倍率 電子顯微鏡對金奈米微顆粒（直徑為2x10-3微米）進行電視攝像， 實時觀察發現這些顆粒沒有固定的形態，隨著時間的變化會自動 形成各種形狀（如立方八面體，十面體，二十面體晶等），它既 不同於一般固體，又不同於液體，是一種準固體。在電子顯微鏡 的電子束照射下，表面原子彷彿進入了“沸騰”狀態，尺寸大於 10奈米後才看不到這種顆粒結構的不穩定性，這時微顆粒具有穩 定的結構狀態。 奈米微顆粒的表面具有很高的活性，在空氣中金屬顆粒會迅速氧 化而燃燒。如要防止自燃，可採用表面包覆或有意識地控制氧化 速率，使其緩慢氧化生成一層極薄而緻密的氧化層，確保表面穩 定化。利用表面活性，金屬奈米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。
固態物質在其形態為大尺寸時，其熔點是固定的，超細微化後 卻發現其熔點將顯著降低，當顆粒小於10奈米量級時尤為顯著。 例如，金的常規熔點為1064℃，當顆粒尺寸減小到10奈米尺寸 時，則降低27℃，2奈米尺寸時的熔點僅為327℃左右﹔銀的常 規熔點為960℃，而超微銀顆粒的熔點可低於100℃。因此，超 細銀粉製成的導電漿料可以進行低溫燒結，此時元件的基片不 必採用耐高溫的陶瓷材料，甚至可用塑膠。 採用超細銀粉漿料，可使膜厚均勻，覆蓋面積大，既省料又具 高質量。日本川崎制鐵公司採用0.1-1微米的銅、鎳超微顆粒製 成導電漿料可代替鈀與銀等貴金屬。奈米微顆粒熔點下降的性 質對粉末冶金工業具有一定的吸引力。例如，在鎢顆粒中附加 0.1％-0.5％重量比的奈米微鎳顆粒後，可使燒結溫度從3000℃ 降低到1200-1300℃，以致可在較低的溫度下燒製成大功率半 導體管的基片。
纳米材料的特性
纳米材料的特性
纳米材料是指至少在一维上尺寸小于100纳米的材料，通常由几百到几千个原
子组成。
由于其尺寸小，纳米材料具有许多特殊的物理、化学和生物学特性，使其在材料科学、生物医学和能源领域具有广泛的应用前景。
首先，纳米材料的特性之一是表面效应。
由于纳米材料的尺寸小，其表面积相
对于体积来说非常大，因此表面效应在纳米材料中变得非常显著。
这使得纳米材料在催化、传感和吸附等方面具有独特的性能，可以提高材料的反应活性和选择性。
其次，纳米材料还具有量子尺寸效应。
当纳米材料的尺寸接近原子或分子的尺
寸时，量子效应将会显现出来。
这种效应使得纳米材料的电子结构和光学性质发生变化，导致其具有与宏观材料不同的电子输运和光学性能，这对于纳米电子器件和纳米光学器件的设计和制备具有重要意义。
此外，纳米材料还表现出优异的力学性能。
由于纳米材料的晶粒尺寸非常小，
其晶界和缺陷对材料的力学性能产生显著影响。
因此，纳米材料通常具有优异的强度、硬度和韧性，这使得纳米材料在材料加工和结构设计中具有重要的应用潜力。
此外，纳米材料还具有独特的磁学和光学性质。
由于纳米材料的尺寸接近光波
长或磁域尺寸，因此纳米材料在磁学和光学领域表现出与宏观材料不同的性质。
这使得纳米材料在磁记录、光学传感和光电器件等领域具有广泛的应用前景。
总的来说，纳米材料具有许多独特的特性，这些特性使得纳米材料在材料科学、生物医学和能源领域具有广泛的应用前景。
随着纳米技术的不断发展，相信纳米材料将会在更多领域展现出其独特的价值，为人类社会的发展做出更大的贡献。
纳米材料特性
纳米材料特性纳米材料是一种具有特殊结构和性能的材料，其尺寸在纳米尺度范围内。
纳米材料的特性主要包括结构特性、力学特性、光学特性、电子特性、热学特性等方面。
首先，纳米材料的结构特性是指其晶体结构、晶粒尺寸、表面形貌等方面的特性。
由于纳米材料的尺寸处于纳米尺度，因此具有较大的比表面积和较高的表面能，这使得纳米材料具有优异的化学反应活性和表面催化性能。
此外，纳米材料的晶粒尺寸小于光的波长，因此呈现出与宏观材料不同的光学特性，如量子尺寸效应、表面等离子共振等。
其次，纳米材料的力学特性是指其在外力作用下的变形和破坏行为。
由于纳米材料的晶粒尺寸较小，其内部存在大量晶界和位错，这使得纳米材料具有较高的强度和硬度。
同时，纳米材料还表现出超塑性、超硬度等特殊的力学性能，这使得纳米材料在材料加工、结构设计等领域具有广泛的应用前景。
另外，纳米材料的光学特性是指其在光场作用下的吸收、散射、透射等光学行为。
由于纳米材料的尺寸与光的波长相当，因此呈现出与宏观材料不同的光学特性，如光学量子效应、表面等离子共振等。
这些特殊的光学特性使得纳米材料在光学器件、光电子器件等领域具有重要的应用价值。
此外，纳米材料的电子特性是指其在外电场作用下的导电、电子结构等电子行为。
由于纳米材料的尺寸处于纳米尺度，因此呈现出与宏观材料不同的电子特性，如量子限制效应、载流子输运的量子干涉效应等。
这些特殊的电子特性使得纳米材料在电子器件、传感器等领域具有重要的应用潜力。
最后，纳米材料的热学特性是指其在温度场作用下的传热、热膨胀等热学行为。
由于纳米材料的尺寸处于纳米尺度，因此呈现出与宏观材料不同的热学特性，如热量子化效应、纳米尺度下的热传导等。
这些特殊的热学特性使得纳米材料在热管理材料、热电材料等领域具有重要的应用前景。
综上所述，纳米材料具有独特的结构特性、力学特性、光学特性、电子特性和热学特性，这些特性使得纳米材料在材料科学、纳米技术、纳米医学等领域具有广泛的应用前景。
纳米材料的特性
纳米材料又称为超微颗粒材料，由(nano particle)组成。
也叫超微颗粒，一般是指尺寸在1～100nm间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的关于微观和宏观的观
点看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型的介观系统，它具
有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。
当人们将宏观物体细分成超微颗粒（纳米级）后，它将显示出许多奇异的特性。
我们可以用“更轻、更高、更强”这六个字来概括。
“更轻”是指借助于纳米材料和技术，我们可以制备体积更小性能不变甚至更好的器件，减小
器件的体积，使其更轻盈。
第一台计算机需要三间房子来存放，正是借助与微米级的半导体
制造技术，才实现了其小型化，并普及了计算机。
无论从能量和资源利用来看，这种“小型化”的效益都是十分惊人的。
“更高”是指纳米材料可望有着更高的光、电、磁、热性能。
“更强”是指纳米材料有着更强的力学性能(如强度和韧性等)，对纳米陶瓷来说，纳米化可望
解决陶瓷的脆性问题，并可能表现出与金属等材料类似的塑性。
纳米材料的特性
2. 1 纳米材料的表面效应纳米材料的表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。
如下图所示：从图中可以看出，粒径在10nm以下，将迅速增加表面原子的比例。
当粒径降到1nm时，表面原子数比例达到约90%以上，原子几乎全部集中到纳米粒子的表面。
由于纳米粒子表面原子数增多，表面原子配位数不足和高的表面能，使这些原子易与其它原子相结合而稳定下来，故具有很高的化学活性。
2. 2 纳米材料的体积效应由于纳米粒子体积极小，所包含的原子数很少，相应的质量极小。
因此，许多现象就不能用通常有无限个原子的块状物质的性质加以说明，这种特殊的现象通常称之为体积效应。
其中有名的久保理论就是体积效应的典型例子。
久保理论是针对金属纳米粒子费米面附近电子能级状态分布而提出的。
久保把金属纳米粒子靠近费米面附近的电子状态看作是受尺寸限制的简并电子态，并进一步假设它们的能级为准粒子态的不连续能级，并认为相邻电子能级间距δ和金属纳米粒子的直径d的关系为：Δ=4EF/3N∞V-1∞1/d3其中 N为一个金属纳米粒子的总导电电子数，V为纳米粒子的体积；EF为费米能级随着纳米粒子的直径减小，能级间隔增大，电子移动困难，电阻率增大，从而使能隙变宽，金属导体将变为绝缘体。
2. 3 纳米材料的量子尺寸效应当纳米粒子的尺寸下降到某一值时，金属粒子费米面附近电子能级由准连续变为离散能级；并且纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据的分子轨道能级和最低未被占据的分子轨道能级，使得能隙变宽的现象，被称为纳米材料的量子尺寸效应。
在纳米粒子中处于分立的量子化能级中的电子的波动性带来了纳米粒子的一系列特殊性质，如高的光学非线性，特异的催化和光催化性质等。
当纳米粒子的尺寸与光波波长，德布罗意波长，超导态的相干长度或与磁场穿透深度相当或更小时，晶体周期性边界条件将被破坏，非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近的原子密度减小，导致声、光、电、磁、热力学等特性出现异常。
纳米材料的特性及其应用
纳米材料的特性及其应用近年来，随着科技的不断发展，纳米技术已经成为一个备受关注的领域。
纳米材料是指具有尺寸在1到100纳米之间的材料，其独特的物理、化学、生物学特性使得其具有广泛的应用前景。
本文将从纳米材料的特性以及其在各个领域的应用入手，简述其在现代科技中的重要性。
首先，纳米材料具有独特的物理特性。
由于纳米材料的尺寸远小于光的波长，因此其表现出一些传统材料所不具有的物理性质。
比如说，纳米颗粒可以表现出量子尺寸效应。
在量子力学中，有个非常著名的定理——不确定性原理。
这个定理讲明了，如果粒子的位置被测得非常准确，那么粒子的动量就变得十分不确定。
换句话说，通过测量粒子的位置，我们已经干扰了它的动量，这就造成了粒子的效应。
在纳米颗粒中，电子的有效半径与颗粒的尺寸相同，因此其位置变得极其不确定，这种现象就称为量子尺寸效应。
另外，纳米材料由于表现出高比表面积和更高的狭缝面积，因此在光学、磁性和电学等方面也表现出非常不同寻常的特性。
纳米材料的化学特性也非常独特。
目前，科学家们正在研究如何利用纳米粉体的化学反应特性来开发新的材料。
比如说，在纳米粉体中，由于表层原子与内部原子之间的化学键进行了重新组合，因此其化学反应与传统的化学反应也有很大的不同。
这种性质使得纳米材料可以被用来制造各种独特的金属、陶瓷、玻璃、金属氧化物等材料。
此外，纳米技术也对制药和生物技术领域的研究带来了希望。
通过纳米材料，医生们可以制造出更精密的药物交付系统或是更精确的治疗方法。
此外，在纳米材料与生物分子相互作用的过程中，也可能会出现一些不同寻常的化学反应。
观察纳米材料的生物学特性时，我们不得不提到的是纳米颗粒的毒性问题。
由于纳米颗粒比传统材料更加容易穿过细胞膜，进入人体重要器官，因此其毒性也更加强烈。
现在，纳米颗粒可能会对身体造成损害的潜在问题正在受到广泛关注。
最后，纳米材料在生活的各个领域的应用前景也是广阔的。
在电子学领域，由于纳米技术能够制造出比传统微电子元件更为微小和高效的器件，因此人们已经开始研究如何运用纳米技术开发出电子元件的下一代。
纳米材料特性
纳米材料特性纳米材料特性是指纳米级材料与宏观材料相比所具有的特殊性质。
纳米材料是指其粒径在纳米尺度范围内的材料，通常为1-100纳米。
以下是纳米材料的主要特性：1. 高比表面积：纳米材料具有较高的比表面积，这是由于其小尺寸导致与周围环境的接触面积相对较大。
这意味着纳米材料可以提供更多的活性表面，有助于增强材料的化学反应、吸附和催化性能。
2. 尺寸效应：纳米材料通常具有尺寸效应，即其性质随着粒径的减小而发生变化。
例如，金属纳米颗粒的熔点和电阻率会随着粒径的减小而降低，光学、电子和磁学性质也会发生变化。
这种尺寸效应可以使纳米材料表现出与宏观材料不同的性能。
3. 量子效应：当纳米材料的尺寸小到纳米级别时，其电子结构会发生明显变化，引发量子效应的出现。
量子效应可以改变纳米材料的光学、电子和磁性质，进而带来许多新的应用和性能。
4. 界面效应：纳米材料常常能够形成大量的界面，这是由于纳米粒子与周围环境的相互作用引起的。
这些界面可以提供额外的活性位点，促进物质的吸附、催化和反应过程。
此外，纳米材料之间的界面也可能引发一些新的现象和效应。
5. 磁性效应：纳米材料中的磁性效应是纳米尺度时才能显现的。
由于纳米材料的尺寸较小，其表现出的磁性特性与宏观材料不同。
纳米材料的磁性能够通过控制尺寸、形状和结构来调控，具有潜在的磁性应用前景。
6. 机械性能：纳米材料的较小尺寸使其具有出色的力学性能。
研究表明，纳米材料具有较高的强度、硬度和弹性模量。
这些优良的机械性能可能归因于尺寸效应的存在，即当尺寸减小到纳米级别时，晶体的位错运动受到限制。
7. 光学特性：纳米材料的光学性质也具有独特的特点。
由于其尺寸接近光的波长量级，纳米材料能够与光发生特殊的相互作用。
许多纳米材料展示了显著的光学增强效应、表面增强拉曼散射和荧光发射等。
总结起来，纳米材料具有高比表面积、尺寸效应、量子效应、界面效应、磁性效应、优异的机械性能和独特的光学特性。
这些特性使纳米材料在许多领域中具有广泛应用的潜力，包括能源、生物医学、电子学、催化剂等。
纳米材料的特性
纳米材料的特性纳米材料的特性纳米材料是指在尺寸维度上具有纳米级别尺寸（1-100纳米）的材料。
由于其尺寸和结构的特殊性，纳米材料展现出许多独特的特性，这些特性在各种领域中具有广泛的应用，如电子学、催化剂、材料科学等。
以下是关于纳米材料的一些主要特性：1. 尺寸效应：纳米材料具有特定的尺寸效应，即其特性会随着尺寸的减小而显著改变。
在纳米尺度下，电子和光子的行为受到约束效应的影响，如量子大小效应和表面效应。
因此，纳米材料的电学、光学、磁学等性质与传统材料相比具有显著差异。
2. 巨大的比表面积：纳米材料的巨大比表面积使其相对于体积材料具有更多的活性表面，有利于吸附、催化和反应的发生。
例如，在催化剂中使用纳米颗粒可以提高催化活性，因为它们能提供更多的活性表面，与反应物接触。
3. 高强度和硬度：纳米材料由于具有较小的晶体尺寸和内部组织的特殊结构，具有更高的强度和硬度。
这是因为纳米颗粒具有更大的表面活性，从而增加了原子之间的键合数目，并提高了材料的强度。
4. 优异的导电性：纳米材料如纳米线、纳米管和纳米片具有优异的电导率，这是由于其小尺寸和高比表面积导致大量的载流子密度。
这使得纳米材料在电子学和光电器件中具有重要的应用潜力。
5. 量子效应：在纳米尺度下，材料的能带结构和光学特性会出现量子效应。
例如，纳米颗粒具有量子大小效应，其能带结构会发生变化，并且在光学上显示出新的能带间跃迁。
6. 热稳定性：纳米材料的热稳定性一般较高，能够耐受较高温度和压力。
这使得纳米材料具有在高温环境下使用的潜力，例如在高温催化、传感和能源存储中的应用。
纳米材料的这些特性使其在各种领域中具有广泛的应用潜力，如电子学、催化剂、能源存储、生物医药等。
随着对纳米材料性质的进一步研究和理解，纳米科技的发展和应用将为人类创造出更多的机会和可能性。
纳米材料的特性
纳米材料的特性纳米材料是一种具有特殊结构和性能的材料，其尺寸在纳米尺度范围内。
纳米材料的特性主要包括以下几个方面：1. 尺寸效应。
纳米材料的尺寸通常在1-100纳米之间，处于这一尺寸范围内的材料会呈现出许多特殊的物理、化学和生物学特性。
其中最主要的就是尺寸效应，即当材料的尺寸缩小到纳米级别时，其表面积相对于体积增大，从而导致其表面原子或分子的比例增加，使其表面活性增强，从而呈现出与传统材料不同的特性。
2. 光学特性。
纳米材料的光学特性是其最具有代表性的特性之一。
由于其尺寸与光波长处于同一数量级，因此纳米材料会呈现出许多特殊的光学现象，如量子尺寸效应、表面等离子共振、光学增强效应等。
这些特性使得纳米材料在光电子器件、传感器、光学材料等领域具有广泛的应用前景。
3. 电子特性。
纳米材料的电子特性也具有独特之处。
由于其尺寸效应和量子限制效应的影响，纳米材料的电子结构会发生改变，导致其电子输运性能、能带结构、电子密度等发生变化。
这些变化使得纳米材料在纳米电子器件、储能材料、传感器等领域具有重要应用价值。
4. 热学特性。
纳米材料的热学特性也备受关注。
由于其尺寸效应和表面效应的存在，纳米材料的热传导、比热容等性质会发生变化，使得其在热电材料、纳米催化剂、纳米传热材料等方面具有潜在应用前景。
5. 化学特性。
纳米材料的化学特性也与其尺寸密切相关。
由于其表面原子或分子的比例增大，纳米材料的化学反应活性会增强，从而在催化剂、吸附材料、传感器等领域发挥重要作用。
总之，纳米材料的特性是多方面的，涉及物理、化学、生物等多个领域，具有广泛的应用前景。
随着纳米技术的不断发展，纳米材料的特性将会得到更加深入的研究和应用，为人类社会的发展带来新的机遇和挑战。
第四章 纳米材料的特异性质
应用:
利用宽频带强吸收这个特性可以作为高效率的光热、 光电等转换材料，可以高效率地将太阳能转变为热能、电 能。此外又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等。 隐身就是把自己隐蔽起来，让别人看不见、测不到。
隐型飞机就是让雷达探测不到，它是在机身表面涂上红外 与微波吸收纳米材料来实现的，因为雷达是通过发射电磁 波再接收由飞机反射回来的电磁波来探测飞机的。1991年 海湾战争中，美国F117A型飞机的隐身材料就是含有多种 纳米粒子，故对不同的电磁波有强烈的吸收能力。在42天 战斗中，执行任务的的飞机1270架，摧毁了伊拉克95%的 军大事块设金施而美国战机无一受损。
（2）蓝移现象
与大块材料相比，纳米微粒的 吸收带普遍存在“蓝移”现象， 即吸收带移向短波方向。例如， 纳米SiC颗粒和大块SiC固体的峰 值红外吸收频率分且是814cm-1 和794cm-1。纳米氮化硅颗粒和 大 块 Si3N4 ， 固 体 的 峰 值 红 外 吸 收 频 率 分 别 是 949cm-1 和 935 cm-1 。由不同粒径的Si纳米微粒 纳吸大收块光金谱看出，随着微粒尺寸 的变小而有明显的蓝移。
应用:
利用不同粒径纳米颗粒的 蓝移现象可以设计波段可 控的新型吸收材料。
大块金
（3） 吸收光谱的红移现象
• 有时候，当粒径减小至纳米级时，会观察到光吸收带 相对粗晶材料的“红移”现象。例如，在200－1400nm 范围，块体NiO单晶有八个吸收带，而在粒径为54－ 84nm的NiO材料中，有4个吸收带发生兰移，有3个吸 收带发生红移，有一个峰未出现。
纳米材料的特性
纳米材料的特性1.2纳米材料的特性在纳米材料中，由于纳米级尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度等物理特征尺寸相当或更小，使得晶体周期性的边界条件被破坏;纳米微粒的表面层附近的原子密度减小;电子的平均自由程很短，而局域性和相干性增强。
尺寸下降还使纳米体系包含的原子数大大下降，宏观固定的准连续能带转变为离散的能级。
这些导致纳米材料宏观的声、光、电、磁、热、力学等的物理效应与常规材料有所不同，体现为量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观隧道效应等。
1.2.1.量子尺寸效应当纳米粒子的尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象、以及半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低空轨道和能隙变宽的现象统称为量子尺寸效应〔9-l‘’。
量子尺寸效应产生最直接的影响就是纳米材料吸收光谱的边界蓝移。
这是由于在半导体纳米晶粒中，光照产生的电子和空穴不再自由，它们之间存在库仑作用，形成类似于宏观晶体材料中的激子的电子一空穴对。
由于空间的强烈束缚导致激子吸收峰、带边以及导带中更高激发态均相应蓝移，并且当电子一空穴对的有效质量越小，电子和空穴受到的影响越明显，吸收阈值就越向更高光子能量偏移，量子尺寸效应也越显著。
1.2.2. .小尺寸效应当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏;非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小，导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现新的小尺寸效应。
例如，光吸收显著增加，并产生吸收峰的等离子共振频移;磁有序态向磁无序态、超导相向正常相的转变;声子谱发生改变。
例如，纳米尺度的强磁性颗粒(Fe—Co合金，氧化铁等)，当颗粒尺寸为单磁畴临界尺寸时，具有很高的矫顽力，可制成磁性信用卡、磁性钥匙、磁性车票等，还可以制成磁性液体，广泛地用于电声器件、阻尼器件、旋转密封、润滑、选矿等领域。
纳米材料的特性与性能解析
纳米材料的特性与性能解析纳米材料是一种具有特殊结构和性质的材料，其颗粒大小在纳米级别（1纳米=10-9米）范围内。
相对于传统材料而言，纳米材料拥有独特的物理、化学和生物学特性，展现出出色的性能和广泛的应用前景。
本文将深入解析纳米材料的特性和性能，帮助读者更好地了解纳米技术的重要性和潜力。
首先，纳米材料的特性之一是其巨大的比表面积。
由于颗粒尺寸极小，纳米材料的比表面积远大于同等体积的传统材料。
这意味着纳米材料提供了更多的活性位点，具有更多的反应表面，更高的反应速率和更高的化学反应活性。
此外，纳米材料的巨大比表面积还使其具有更好的吸附能力，可以被用于环境污染物的吸附和分解，有助于解决环境保护问题。
其次，纳米材料还表现出优异的力学性能。
由于其小尺寸、高表面能和大应变能力，纳米材料通常具有高强度、高硬度和高韧性。
这些优异的力学性能使得纳米材料在材料加工、摩擦减磨、机械工程等领域具有广泛的应用前景。
例如，纳米材料用于制备高强度的纳米复合材料，可以提高材料的强度和韧性，延长材料的使用寿命。
此外，纳米材料还表现出独特的光学性能。
在纳米尺度下，光的吸收、散射和透射等特性会发生明显变化。
纳米材料的颜色、荧光等光学性质可以通过纳米颗粒的形状、大小和组成来控制和调节。
这使得纳米材料在电子显示器、光电器件、传感器等领域具有广泛的应用。
例如，利用纳米材料的荧光特性，科学家们开发了高效的荧光探针，广泛应用于生物医学研究和临床诊断中。
此外，纳米材料还具有独特的热学性能。
由于其小尺寸和表面效应，纳米材料表现出与体积相同的传统材料相比更高的热导率和更低的热膨胀系数。
这使得纳米材料在热传导和热管理方面具有潜力。
例如，纳米材料被广泛应用于制备高效热界面材料，用于改善电子元器件的散热性能，提高器件的稳定性和可靠性。
最后，纳米材料还表现出独特的电学性能。
相对于传统材料而言，纳米材料具有更高的载流子迁移率、更低的电阻率和更好的电化学活性。
纳米材料的性质
纳米材料的性质纳米材料是一种具有特殊性质的材料，其尺寸在纳米尺度范围内。
纳米材料的性质与传统材料有着显著的差异，这些性质的独特之处使得纳米材料在材料科学和工程领域具有广泛的应用前景。
首先，纳米材料的尺寸效应是其独特性质的重要来源之一。
当材料的尺寸缩小至纳米尺度时，其表面积和表面能显著增加，从而导致了许多新的性质的出现。
例如，纳米颗粒的光学性质会因为尺寸的减小而发生变化，表现出特殊的光学效应，如量子尺寸效应和表面增强拉曼散射效应。
这些性质的出现为纳米材料在光电子器件、传感器和生物医学领域的应用提供了可能。
其次，纳米材料的力学性质也表现出独特的特点。
由于其尺寸较小，纳米材料表现出了优异的力学性能，如高强度、高韧性和高硬度。
这些性质使得纳米材料在材料增强、纳米复合材料和纳米机械领域具有重要的应用前景。
例如，碳纳米管具有优异的力学性能，被广泛应用于材料增强和纳米传感器领域。
另外，纳米材料的电子性质也是其重要的特点之一。
由于纳米材料的尺寸接近电子的波长，其电子结构和输运性质会发生显著的变化。
例如，纳米材料表现出了优异的电子传输性能，被广泛应用于电子器件、能源存储和转换领域。
同时，纳米材料的量子效应也使得其在纳米电子学和量子计算领域具有重要的应用前景。
此外，纳米材料的化学性质也表现出了独特的特点。
由于其表面积的增大，纳米材料表现出了优异的化学活性和表面催化性能。
这些性质使得纳米材料在催化剂、传感器和生物医学领域具有重要的应用价值。
例如，金纳米颗粒被广泛应用于生物医学成像和药物输送领域，其表面的化学活性使得其具有良好的生物相容性和药物载体性能。
综上所述，纳米材料具有独特的性质，包括尺寸效应、力学性质、电子性质和化学性质。
这些性质使得纳米材料在材料科学和工程领域具有广泛的应用前景，为我们解决许多重大科学和工程问题提供了新的途径和方法。
随着纳米技术的不断发展和进步，相信纳米材料的性质将会进一步展现出其独特的魅力，并为人类社会的发展和进步做出更大的贡献。
纳米材料的物理特性及其应用
纳米材料的物理特性及其应用随着科技的不断发展，人们对物质的研究越来越深入，而纳米材料成为越来越热门的研究领域。
纳米材料是指晶体结构中至少有一个维度小于100纳米的材料，具有诸多奇特的物理特性，这些特性使得纳米材料具有广泛的应用前景。
1. 纳米材料的物理特性1.1 纳米材料的尺寸效应纳米材料的尺寸与其它材料相比较小，因而具有尺寸效应。
节点的电子密度与材料的尺寸相关，当尺寸小到一定范围内时，电子能量与材料表面的势场作用相比，发生量子效应而产生物理化学性质的变化。
1.2 纳米材料的表面效应正常情况下，材料的表面体积较小，表面原子与体内原子的物理化学性质较为相似，但是纳米材料的表面积远大于其体积，而且表面的极性、结构和化学反应性会因为表面的原子重新排列和化学键的断裂而发生变化，从而形成了表面效应。
1.3 纳米材料的量子效应量子效应是微观世界的表现，是指当一个粒子的尺度缩到与其波到长度相等或更小的极点后，借由其波动特性而不再适应于经典物理定律的一种物理现象。
纳米颗粒的平均直径在1～10纳米时，电子的态密度增大，电子发生了全新的量子机制。
由于纳米颗粒大小与电子波长接近，电子呈非连续色散，具有大量的能级，电子效应不同于体材料中的电子效应，呈现出全新的纳米效应。
2. 纳米材料的应用2.1 纳米材料在生物医药领域中的应用纳米医药材料是基于纳米科技的新型医药材料，随着生物医学研究的深入，纳米医药材料成为了可以治愈多种疾病的新型药物。
纳米药物可以加入到体内微小细胞中以促进药物的溶解，提高药物的稳定性，增强药物的吸收能力和生物利用度，并缩短药物的作用时间。
2.2 纳米材料在电子领域中的应用纳米材料在电子领域中的应用范围非常广泛，可以用于研究新一代的纳米电子元件，如纳米电路、纳米领域效应晶体管、量子小间隙器件、纳米光电子元件等，这些元件具有高性能、小尺寸、高灵敏度和低功耗等优势。
2.3 纳米材料在环境保护领域中的应用现代社会的环境问题越来越严重，而纳米材料的应用可以成为一种有利的解决方案。
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纳米材料的热学性质
3、非晶纳米微粒的晶化 温度低于常规粉体 传统非晶氮化硅在1793K 晶化成相，纳米非晶氮化硅 微粒在1673K加热4h全部转变 成相。纳米微粒开始长大温 度随粒径的减小而降低。右图 表明8nm，15nm和35nm粒径 的Al2O3 粒子快速长大的开始 湿 度 分 别 为 ～ 1073K ， ～ 1273K和1423K。
CdS纳米晶的粒径与熔点的关系
A.P.Alivisatos, J. Phys. Chem. 100, 13227 (1996)
纳米材料的热学性质
纳米微粒熔点降低的原因
与常规粉体材料相比，由于纳米 微粒的颗粒小，其表面能高、比表面 原子数多。这些表面原子近邻配位不 全，活性大，以及体积远小于大块材 料的纳米粒子熔化时所需增加的内能 小得多，这就使得纳米微粒的熔点急 剧下降。
纳米材料的光学性质
3、吸收光谱的红移现象
在一些情况下，当粒径减小至纳米级时，可以观察 到光吸收带相对粗晶材料的“红移”现象，即吸收带移 向长波长。例如，在200～1400nm范围，块体NiO单晶呈 现八个光吸收带，它们的峰位分别为3.52，3.25，2.95， 2.75，2.15，1.95和1.13eV，而在粒径为54～84nm范围的 纳米NiO材料中，不呈现3.52eV的吸收带，其他7个带的 峰位分别为3.30，2.93，2.78，2.25，1.92，1.72和1.07eV， 很明显，前4个光吸收带相对单晶的吸收带发生蓝移，后 3个光吸收带发生红移。
激子的键能和能级的分布：
依赖于半导体的特性，在最 简单的模式(Wannier-Mott激子) 中可用类氢原子的关系式描述。 在此模式中相对于导带底能级的 能量具有下列形式：
Eexc
E s
0 exc 2
Eexc
mcv e4 2 2 2 sc
1 1 1 式中， m m m cv c v
h
纳米材料的光学性质
纳米氮化硅、碳化硅以及三氧化二铝粉等对红外有一个 宽频带强吸收谱。
不同温度退火下纳米三氧化二铝材料的红外吸收谱 1－4分别对应873，1073，1273和1473K退火4小时的样品
纳米材料的光学性质
纳米材料的红外吸收谱宽化的主要原因
1) 尺寸分布效应：通常纳米材料的粒径有一定分布，不同颗粒的表面张 力有差异，引起晶格畸变程度也不同。这就导致纳米材料键长有一个分 布，造成带隙的分布，这是引起红外吸收宽化的原因之一。 2) 界面效应：界面原子的比例非常高，导致不饱和键、悬挂键以及缺陷 非常多。界面原子除与体相原子能级不同外，互相之间也可能不同，从 而导致能级分布的展宽。与常规大块材料不同，没有一个单一的、择优 的键振动模，而存在一个较宽的键振动模的分布，在红外光作用下对红 外光吸收的频率也就存在一个较宽的分布。
纳米材料的光学性质
引起红移的因素很多，也很复杂，归纳起来有：
(1) 电子限域在小体积中运动；(2) 粒径减小，颗粒内 部内应力（p=2/r，r为粒子半径，为表面张力）增加， 导致能带结构变化，电子波函数重叠加大；(3) 存在附加 能级，如缺陷能级，使电子跃迁能级间距减小；(4) 外加 压力使能隙减小；(5) 空位、杂质的存在使平均原子间距 R 增大，导致能级间距变小。
金的熔点：1064 oC；2nm的金粒子的熔点为327 oC。 银的熔点：960.5 oC；银纳米粒子在低于100 oC开始熔化。 铅的熔点：327.4 oC；20nm球形铅粒子的熔点降低至39 oC。 铜的熔点：1053 oC；平均粒径为40nm的铜粒子，750 oC。
纳米材料的热学性质
烧结前
烧结后
纳米材料的热学性质
纳米TiO2 在773K加热呈现 出明显的致密化，而晶粒仅有 微小的增加，致使纳米微粒 TiO2 在比大晶粒样品低873K的 温度下S烧结就能达到类似的硬 度，如图所示。 常 规 Al2O3一定 条 件 下 ， 纳米Al2O3 可在1423～1773K烧 结，致密度达99.7％。 常 规 Si3N4 的 烧 结 温 度 高 于 2273K，纳米Si3N4 的烧结温度 降低673～773K。
2、烧结温度比常规粉体显著降低
所谓烧结温度是指把粉末先用高压压制成形，然后在低于熔点的温 度下使这些粉末互相结合成块，密度接近常规材料的最低加热温度。纳 米粒子尺寸小，表面能高，压制成块材后的界面具有高能量，在烧结中 高的界面能成为原子运动的驱动力，有利于界面附近的原子扩散、界面 中的空洞收缩及空位团的湮没。因此，在较低温度下烧结就能达到致密 化目的，即烧结温度降低。
作为电中性的准粒子，激子是由电子和 空穴的库仑相互吸引而形成的束缚态。激子 形成后，电子和空穴作为一个整体在晶格中 运动。激子是移动的，它不形成空间定域态。 但是由于激子中存在键的内能，半导体-激 子体系的总能量小于半导体和导带中的电子 以及价带中的空穴体系的能量，因此在能带 模型中的激子能级位于禁带内。
35nm 15nm 8nm
纳米材料的热学性质 纳米材料的熔点降低、烧结温 度降低、晶化温度降低等热学性质 的显著变化来源于纳米材料的表
（界）面效应。
§2. 纳米材料的光学性质
纳米粒子的一个最重要的标志是尺寸与物理的特征 玻尔半径以及电子的德布罗意波长相当时，小颗粒的量 子尺寸效应十分显著。与此同时，大的比表面使处于表
纳米相材料在结构上与常规的晶态和非晶态体系有很大 的差别，表现为：小尺寸、能级离散性显著、表(界)面原子比 例高、界面原子排列和键的组态的无规则性较大等。这些特 征导致纳米材料的光学性质出现一些不同于常规晶态和非晶 态的新现象。
纳米材料的光学性质
1、宽频带强吸收
大块金属具有不同颜色的金属光泽，表明它们对可见光 范围各种颜色(波长)的光的反射和吸收能力不同。而当尺寸减 小到纳米级时，各种金属纳米微粒几乎都呈黑色。它们对可 见光的反射率极低，而吸收率相当高。例如，Pt纳米粒子的 反射率为1％，Au纳米粒子的反射率小于10％。这种对可见光 低反射率，强吸收率导致粒子变黑。
块体半导体与半导体 纳米晶的能带示意图
纳米材料的光学性质
2) 表面效应：纳米颗粒大 的表面张力使晶格畸变， 晶格常数变小。对纳米氧 化物和氮化物的研究表明， 第一近邻和第二近邻的距 离变短，键长的缩短导致 纳米颗粒的键本征振动频 率增大，结果使红外吸收 带移向高波数。
CdSe纳米颗粒的吸收光谱蓝移现象 A.P.Alivisatos, J. Phys. Chem. 100, 13227 (1996)
须指出，分析具体体系要综合考虑各种因素，不能一概而论。 纳米结构材料红外吸收的微观机制研究还有待深入，实验现象也 尚需进一步系统化。
纳米材料的光学性质 现代隐身术 —— 纳米材料的优良吸波性能
美国F－117A 隐形战斗机
纳米材料的光学性质
2、吸收光谱的蓝移现象
与大块材料相比，纳米微粒的吸收带普遍存在“蓝移” 现象，即吸收带移向短波长方向。 例如，纳米SiC颗粒和大块SiC固体的红外吸收频率峰值 分别为814cm-1和794cm-1。纳米SiC颗粒的红外吸收频率较大 块固体蓝移了20cm-1。 纳米氮化硅颗粒和大块氮化硅固体的红外吸收频率峰值 分别是949cm-1和935cm-1，纳米氮化硅颗粒的红外吸收频率比 大块固体蓝移了14cm-1。
金属纳米粒子的粒径与熔点的关系
纳米材料的热学性质
Thermodynamic Behaviors of Metal Clusters
Y.J. Lee et al, J. Comp. Chem 21, 380 (2000), Phys. Rev. Lett. 86, 999 (2001)
纳米材料的热学性质
S = 1, 2, 3„
纳米材料的光学性质
当半导体纳米粒子的粒径r<aB[激子玻 尔半径: aB = h2/e2(1/me- + 1/mh+)]时，电子 的平均自由程受小粒径的限制，局限在很小 的范围。因此空穴约束电子形成激子的概率 比常规材料高得多，结果导致纳米材料含有 激子的浓度较高。颗粒尺寸越小，形成激子 的概率越大，激子浓度就越高。这种效应称 为量子限制(quantum confinement)效应。 由于上述量子限制效应，使得纳米半 导体材料的能带结构中，靠近导带底形成一 些激子能级，从而容易产生激子吸收带。右 图曲线1和2分别为掺了粒径大于10纳米和5 纳米的CdSexS1-x 的玻璃的光吸收谱，尺寸 变小后出现明显的激子峰。 激子带的吸收系数随粒径的减小而增 加，即出现激子的增强吸收并蓝移。
纳米材料的光学性质
吸收光谱蓝移的原因：
1) 量子尺寸效应：即颗粒尺 寸下降导致能隙变宽，从而 导致光吸收带移向短波方向。 Ball等的普适性解释是：已被 电子占据的分子轨道能级 (HOMO) 与 未 被 电 子 占 据 的 分 子 轨 道 能 级 (LUMO) 之 间 的宽度(能隙)随颗粒直径的减 小而增大，从而导致蓝移现 象。这种解释对半导体和绝 缘体均适用。
s and l — the densities of solid and
liquid metal, respectively
sl — the solid–liquid interfacial energy l — the surface energy of the liquid
Anna Moisala, J. Phys.: Condens. Matter 15 (2003) S3011–S3035
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Nanchang University
第 四 章 纳米材料的特性
纳米材料的热学性质 纳米材料的光学性质
纳米材料的电学性质
纳米材料的磁学性质
纳米材料的力学性质
纳米材料的化学性质
纳米材料的特性
纳米相 材料 纳米微粒
纳 米 结 构 材 料 (nanostructured materials)又称纳米固体，它是由颗 粒尺寸为1～100nm的粒子凝聚而成 的块体、薄膜、多层膜和纤维等。