6.纳米材料
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数目很多，能带中能级的间距很小，看作是连
续的。
能级间距和颗粒关系：
EF S 3N
23
S-能级间距；EF-能级；N-总电子数
一、纳米材料及纳米技术
—3.量子尺寸效应
对超微颗粒而言，连续的能带将分裂为分立的 能级；能级间的间距随颗粒尺寸减小而增大。 当热能、电场能或者磁场能比平均的能级间距 还小时，就会呈现一系列与宏观物体截然不同 的反常特性，称之为量子尺寸效应。
17
一、纳米材料及纳米技术
生物体中存在纳米的磁性颗粒，使这类生物在地 磁场导航下能辨别方向，具有回归的本领。 磁性纳米颗粒实质上是一个生物磁罗盘。
18
一、纳米材料及纳米技术
• 蜜蜂的体内也存在磁性的纳米粒子，这种磁性的纳米 粒子具有“罗盘”的作用，可以为蜜蜂的活动导航。
• 以前人们认为蜜蜂是利用北极星或通过摇摆舞向同伴 传递信息来辨别方向的。最近，英国科学家发现，蜜 蜂的腹部存在磁性纳米粒子，这种磁性跟粒子具有指 南针功能，蜜蜂利用这种“罗盘”来确定其周围环境 , 在自己头脑里的图像而判明方向。
41
一、纳米材料及纳米技术
扫描隧道显微镜具有以下特点∶
具有原子级的空间分辨率，其横向空间分辨率为0.1nm,
纵向分辨率达0.01 nm;
可直接探测样品的表面结构，可绘出立体三维结构图像。
可在真空、常压、空气、甚至溶液中均可进行观察。
扫描速度快，获取数据的时间短，成像也快，有可能开
展生命过程的动力学ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ究。
15
一、纳米材料及纳米技术
（2） 特殊的热学性质
固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固
定的；超细微化后却发现其熔点将显著降低，当
颗粒小于10纳米量级时尤为显著。
例如，金的常规熔点为1064 ℃，当颗粒尺寸 减小到10纳米尺寸时，则降低27℃，减小到2纳米 尺寸时的熔点为327℃左右。
16
一、纳米材料及纳米技术
运动规律、特性的高新技术学科。
其最终目标是人类按照自己
的意志直接操纵单个原子、
分子，制造出具有特定功能
的产品。
6
一、纳米材料及纳米技术
1990年7月在美国巴尔的摩召开了国际第一届纳米科学
技术学术会议，正式把纳米材料科学作为材料科学的一个
新的分支公布于世。
纳米材料的发展大致可以划分为3个阶段： 第一阶段(1990年以前)主要是在实验室探索用各种手段
制备各种材料的纳米颗粒粉体，合成块体(包括薄膜)，研究
评估表征的方法。
7
一、纳米材料及纳米技术
第二阶段 (1994年前)人们关注的热点是如何利
用纳米材料已挖掘出来的奇特物理、化学和力学性
能，设计纳米复合材料。 根据纳米结构体系构筑过程中的驱动力是靠外因，
还是靠内因来划分，大致可分为两类：一是人工纳
鹅毛和鸭毛是防水的。原来鹅毛和鸭毛的排列非 常整齐，且毛与毛之间的隙缝极小，小到纳米尺寸，
所以水分子无法穿透层层的鹅毛和鸭毛，但却极易通
气，故鹅与鸭得以在水中保持身体的干燥。
33
一、纳米材料及纳米技术
34
一、纳米材料及纳米技术
35
一、纳米材料及纳米技术
将这种纳米颗粒放到织物纤维中，做成的衣服不沾尘， 省去不少洗衣的麻烦。利用纳米材料的疏水性能在汽 车挡风玻璃上将会起到很好的去水、去雾作用。
9
一、纳米材料及纳米技术
纳米材料的特性
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， 是一种典型介观系统，它具有 1.表面效应；2.小尺寸效应；3.量子尺寸效应； 4.宏观量子隧道效应
10
一、纳米材料及纳米技术
1.表面效应：表面原子数目随粒径减小而迅速增加
表 面 原 子 数 相 对 总 原 子 数
19
一、纳米材料及纳米技术
最近美国科学家发现海龟的头部有磁性的纳米微
粒，它们凭借这种纳米微粒准确无误地完成几万
里的迁移． 根据生物体内的纳米微粒为 我们设计纳米尺度的新型导
航器提供有益的依据，这也
是纳米科学研究的重要内容。
20
一、纳米材料及纳米技术
（4）特殊的力学性质 陶瓷材料在通常情况下呈脆性，然而由纳米超 微颗粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性。 因为纳米材料具有大的界面，界面的原子排列 是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁 移，因此表现出很好的韧性与一定的延展性。
21
一、纳米材料及纳米技术
—(4) 特殊的力学性质 美国学者报道氟化钙纳米材料在室温下可以大 幅度弯曲而不断裂。 研究表明，人的牙齿之所以具有很高的强度， 是因为它是由磷酸钙等纳米材料构成的。 呈纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬3～ 5倍。
22
一、纳米材料及纳米技术
3.量子尺寸效应
大块材料中能级、能级合并成能带，由于电子
42
一、纳米材料及纳米技术
通过STM得到的各种围栏（Quantum corral）
43
一、纳米材料及纳米技术
1990年美国IBM的两个科学家，首度将一颗颗氙原子在镍表 面上拖拽，逐颗将35颗原子排成"IBM"三个英文字母
44
将铁(Fe) 原子于铜(Cu) 表面
排列成"原子"二字 ，汉字的 大小只有几个纳米。
的量子隧道效应。
27
一、纳米材料及纳米技术
以上四种效应是纳米粒子与纳米固体的基本特 性，它使纳米粒子和固体呈现许多奇异的物理性 质和化学性质，出现一些“反常现象” 等。
28
29
莲花的叶面是由一层微米至纳米尺寸的大小的表面所组成。叶 面上布满细微的凸状物再加上表面所存在的蜡质，这使得在尺寸上 远大于该结构的灰尘、雨水等降落在叶面上时，只能和叶面上凸状 物形成点的接触。液滴在自身的表面张力作用下形成球状，由液滴 在滚动中吸附灰尘，并滚出叶面，这样的能力胜过人类的任何清洁 科技。这就是莲花纳米表面「自我洁净」的奥妙所在。
（3） 特殊的磁学性质
小尺寸的超微颗粒磁性与大块材料显著的不同；大块 的纯铁矫顽力约为 80安／米，而当颗粒尺寸减小到 20纳米 以下时，其矫顽力可增加1千倍；若进一步减小其尺寸，大
约小于 6纳米时，其矫顽力反而降低到零，呈现出超顺磁
性。
利用磁性纳米颗粒具有高矫顽力的特性，已作成高贮
存密度的磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁盘、磁卡等。
4
一、纳米材料及纳米技术
纳米材料又称为超微颗粒材料，
由纳米粒子组成。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
原子排成的“原子”字样
1nm=1/10亿米，10 个氢原子紧密排列， 20nm是头发丝直径 的3000分之一
5
一、纳米材料及纳米技术
纳米技术
是指在1—100nm尺度空间内，研究电子、原子和分子
30
一、纳米材料及纳米技术
31
纳米材料的莲花效应
荷叶的基本化学成分是碳水化合物，很容易吸附水分或污垢。但洒 在荷叶叶面上的水却会自动聚集成水珠，且水珠的滚动把落在叶面
上的尘埃污泥粘吸滚出叶面，使叶面始终保持干净。在荷叶叶面上
存在着非常复杂的多重纳米和微米级的超微结构。
32
一、纳米材料及纳米技术
24
一、纳米材料及纳米技术
—3.量子尺寸效应
例如，导电的金属在超微颗粒时可以变成绝缘 体，磁性的大小和颗粒中电子是奇数还是偶数 有关，比热亦会反常变化，光谱线会产生向短 波长方向的移动，这就是量子尺寸效应的宏观 表现。
25
一、纳米材料及纳米技术 4.宏观量子隧道效应
隧道效应：当微观粒子的总能量小于势垒高度时，
100 80
比 例 60 （ 40 ） 20
0 0 10 20
11
%
30
40
50
粒径 /nm
一、纳米材料及纳米技术
表面效应：
由于表面原子数增多，原子配位不足及高的表面能， 使这些表面原子具有高的活性，极不稳定，很容易与 其他原子结合
金属的纳米粒子在空气中会燃烧；无机的纳米粒子暴 露在空气中会吸附气体，并与气体进行反应。 利用表面活性，金属纳米颗粒可望成为新一代的高效 催化剂和低熔点材料。
36
一、纳米材料及纳米技术
37
一、纳米材料及纳米技术
1981 年，在瑞士苏黎世 IBM 实验室的Binnig 和 Rohrer 兩位科学家发
明了STM，并获得1986 年诺贝尔物理奖。
38
一、纳米材料及纳米技术
扫描隧道显微术(Scanning Tunnelling Microscopy) STM水平分辨率小于0.1纳米，垂直分辨率小 于0.01纳米。 一般来讲，物体在固态下原子之间的距离在 零点一到零点几个纳米之间。 在扫描隧道显微镜下，导电物质表面结构的 原子、分子状态清晰可见。
45
二、纳米结构单元及典型的纳米材料
第三阶段(从1994年到现在)纳米组装体系的研究。
米结构组装体系，二是纳米结构自组装体系。
8
一、纳米材料及纳米技术
纳米材料： 广义地，纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于 纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料。
如果按维数，纳米材料的基本单元可以分为四类： (1)零维:在空间三维尺度在纳米尺度(纳米粉体、纳米团簇)； (2)一维:在空间有两维在纳米尺度(纳米丝(棒、管)等； (3)二维:在三维空间中有一维在纳米尺度(超薄膜、纤维材料) (4)三维:尺寸为1-100nm的粒子为主体形成的纳米块体
3
相关的网站
1.美国国家纳米行动计划 http://www.nano.gov 2.日本纳米计划 http://www.jst.go.jp/erato http://www.iijnet.or.jp/MMC 3.德国纳米计划 http://www.nanonet.de/english/default.htm 4.英国纳米行动计划 5.世界纳米结构科学和技术调查报告 http://itri.loyola.edu/nano/ 6.中国纳米 http://www.nanochina.cn/chinese/index.php
功能材料
纳米材料概述
主讲教师：孙兰 课时：4学时
主要内容
纳米材料及纳米技术 几种典型的纳米材料 纳米材料的制备方法 纳米材料的性能
纳米材料的应用及发展
2
参考书
纳米材料和纳米结构，张立德 牟季美，科学 出版社 纳米材料导论，曹茂盛 关长斌等，哈尔滨工 业大学出版社 纳米技术与应用，顾宁 付德刚等，人民邮电 出版社 功能材料与纳米技术， 李玲，向航，化学工业 出版社
该粒子仍能穿越这一势垒。
近年来，人们发现一些宏观量如微颗粒也具有隧道 效应，可以穿越宏观系统的势垒而产生变化，故称
之为宏观量子隧道效应。
26
一、纳米材料及纳米技术 —4.宏观量子隧道效应
在制造半导体集成电路时，当电路的尺寸接近电 子波长时，电子就通过隧道效应而溢出器件，使器 件无法正常工作，经典电路的极限尺寸大概在0.25 微米。 当微电子器件进一步细微化时，必须要考虑上述
39
一、纳米材料及纳米技术
扫描隧道显微术(Scanning Tunnelling Microscopy)
STM的基本原理是利用量子理论中的隧道效应 。将原子线度的极
细探针和被研究物质的表面作为两个电极，当样品与针尖的距离 非常接近时（通常小于1nm），在外加电场的作用下，电子会穿
过两个电极之间的势垒流向另一电极 。这种现象即是隧道效应。
12
一、纳米材料及纳米技术
2.小尺寸效应
随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起 颗粒性质的质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏 观物理性质的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒 而言，尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加， 从而产生如下一系列新奇的性质。 特殊的光学、磁学、热学、力学性质
13
2. 小尺寸效应 （1） 特殊的光学性质 当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，即失 去了原有的富贵光泽而呈黑色。 事实上，所有的金属在超微颗粒状态都呈现为 黑色。尺寸越小，颜色愈黑。
14
一、纳米材料及纳米技术
金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于l％， 大约几微米的厚度就能完全消光。应用于红外敏感元件、 红外隐身技术等。 1991年春的海湾战争，美国F－117A型隐身战斗机外 表所包覆的材料中就包含有多种纳米超微颗粒，它们对 不同波段的电磁波有强烈的吸收能力，以欺骗雷达，达 到隐形目的，成功地实现了对伊拉克重要军事目标的打 击。
40
一、纳米材料及纳米技术
电流I对针尖和样品表面之间的距离s变化非常敏
感。如果此距离减小仅仅0.1nm，隧道电流I将
会增加10倍；反之，如果距离增加0.1nm，隧道
电流I就会减少10倍。
通过控制针尖与样品表面间距的恒定，并使针
尖沿表面进行精确的三维移动，且将表面形貌
和表面电子态等有关表面信息记录下来。
续的。
能级间距和颗粒关系：
EF S 3N
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S-能级间距；EF-能级；N-总电子数
一、纳米材料及纳米技术
—3.量子尺寸效应
对超微颗粒而言，连续的能带将分裂为分立的 能级；能级间的间距随颗粒尺寸减小而增大。 当热能、电场能或者磁场能比平均的能级间距 还小时，就会呈现一系列与宏观物体截然不同 的反常特性，称之为量子尺寸效应。
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一、纳米材料及纳米技术
生物体中存在纳米的磁性颗粒，使这类生物在地 磁场导航下能辨别方向，具有回归的本领。 磁性纳米颗粒实质上是一个生物磁罗盘。
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一、纳米材料及纳米技术
• 蜜蜂的体内也存在磁性的纳米粒子，这种磁性的纳米 粒子具有“罗盘”的作用，可以为蜜蜂的活动导航。
• 以前人们认为蜜蜂是利用北极星或通过摇摆舞向同伴 传递信息来辨别方向的。最近，英国科学家发现，蜜 蜂的腹部存在磁性纳米粒子，这种磁性跟粒子具有指 南针功能，蜜蜂利用这种“罗盘”来确定其周围环境 , 在自己头脑里的图像而判明方向。
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一、纳米材料及纳米技术
扫描隧道显微镜具有以下特点∶
具有原子级的空间分辨率，其横向空间分辨率为0.1nm,
纵向分辨率达0.01 nm;
可直接探测样品的表面结构，可绘出立体三维结构图像。
可在真空、常压、空气、甚至溶液中均可进行观察。
扫描速度快，获取数据的时间短，成像也快，有可能开
展生命过程的动力学ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ究。
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一、纳米材料及纳米技术
（2） 特殊的热学性质
固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固
定的；超细微化后却发现其熔点将显著降低，当
颗粒小于10纳米量级时尤为显著。
例如，金的常规熔点为1064 ℃，当颗粒尺寸 减小到10纳米尺寸时，则降低27℃，减小到2纳米 尺寸时的熔点为327℃左右。
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一、纳米材料及纳米技术
运动规律、特性的高新技术学科。
其最终目标是人类按照自己
的意志直接操纵单个原子、
分子，制造出具有特定功能
的产品。
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一、纳米材料及纳米技术
1990年7月在美国巴尔的摩召开了国际第一届纳米科学
技术学术会议，正式把纳米材料科学作为材料科学的一个
新的分支公布于世。
纳米材料的发展大致可以划分为3个阶段： 第一阶段(1990年以前)主要是在实验室探索用各种手段
制备各种材料的纳米颗粒粉体，合成块体(包括薄膜)，研究
评估表征的方法。
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一、纳米材料及纳米技术
第二阶段 (1994年前)人们关注的热点是如何利
用纳米材料已挖掘出来的奇特物理、化学和力学性
能，设计纳米复合材料。 根据纳米结构体系构筑过程中的驱动力是靠外因，
还是靠内因来划分，大致可分为两类：一是人工纳
鹅毛和鸭毛是防水的。原来鹅毛和鸭毛的排列非 常整齐，且毛与毛之间的隙缝极小，小到纳米尺寸，
所以水分子无法穿透层层的鹅毛和鸭毛，但却极易通
气，故鹅与鸭得以在水中保持身体的干燥。
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一、纳米材料及纳米技术
34
一、纳米材料及纳米技术
35
一、纳米材料及纳米技术
将这种纳米颗粒放到织物纤维中，做成的衣服不沾尘， 省去不少洗衣的麻烦。利用纳米材料的疏水性能在汽 车挡风玻璃上将会起到很好的去水、去雾作用。
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一、纳米材料及纳米技术
纳米材料的特性
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， 是一种典型介观系统，它具有 1.表面效应；2.小尺寸效应；3.量子尺寸效应； 4.宏观量子隧道效应
10
一、纳米材料及纳米技术
1.表面效应：表面原子数目随粒径减小而迅速增加
表 面 原 子 数 相 对 总 原 子 数
19
一、纳米材料及纳米技术
最近美国科学家发现海龟的头部有磁性的纳米微
粒，它们凭借这种纳米微粒准确无误地完成几万
里的迁移． 根据生物体内的纳米微粒为 我们设计纳米尺度的新型导
航器提供有益的依据，这也
是纳米科学研究的重要内容。
20
一、纳米材料及纳米技术
（4）特殊的力学性质 陶瓷材料在通常情况下呈脆性，然而由纳米超 微颗粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性。 因为纳米材料具有大的界面，界面的原子排列 是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁 移，因此表现出很好的韧性与一定的延展性。
21
一、纳米材料及纳米技术
—(4) 特殊的力学性质 美国学者报道氟化钙纳米材料在室温下可以大 幅度弯曲而不断裂。 研究表明，人的牙齿之所以具有很高的强度， 是因为它是由磷酸钙等纳米材料构成的。 呈纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬3～ 5倍。
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一、纳米材料及纳米技术
3.量子尺寸效应
大块材料中能级、能级合并成能带，由于电子
42
一、纳米材料及纳米技术
通过STM得到的各种围栏（Quantum corral）
43
一、纳米材料及纳米技术
1990年美国IBM的两个科学家，首度将一颗颗氙原子在镍表 面上拖拽，逐颗将35颗原子排成"IBM"三个英文字母
44
将铁(Fe) 原子于铜(Cu) 表面
排列成"原子"二字 ，汉字的 大小只有几个纳米。
的量子隧道效应。
27
一、纳米材料及纳米技术
以上四种效应是纳米粒子与纳米固体的基本特 性，它使纳米粒子和固体呈现许多奇异的物理性 质和化学性质，出现一些“反常现象” 等。
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29
莲花的叶面是由一层微米至纳米尺寸的大小的表面所组成。叶 面上布满细微的凸状物再加上表面所存在的蜡质，这使得在尺寸上 远大于该结构的灰尘、雨水等降落在叶面上时，只能和叶面上凸状 物形成点的接触。液滴在自身的表面张力作用下形成球状，由液滴 在滚动中吸附灰尘，并滚出叶面，这样的能力胜过人类的任何清洁 科技。这就是莲花纳米表面「自我洁净」的奥妙所在。
（3） 特殊的磁学性质
小尺寸的超微颗粒磁性与大块材料显著的不同；大块 的纯铁矫顽力约为 80安／米，而当颗粒尺寸减小到 20纳米 以下时，其矫顽力可增加1千倍；若进一步减小其尺寸，大
约小于 6纳米时，其矫顽力反而降低到零，呈现出超顺磁
性。
利用磁性纳米颗粒具有高矫顽力的特性，已作成高贮
存密度的磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁盘、磁卡等。
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一、纳米材料及纳米技术
纳米材料又称为超微颗粒材料，
由纳米粒子组成。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
原子排成的“原子”字样
1nm=1/10亿米，10 个氢原子紧密排列， 20nm是头发丝直径 的3000分之一
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一、纳米材料及纳米技术
纳米技术
是指在1—100nm尺度空间内，研究电子、原子和分子
30
一、纳米材料及纳米技术
31
纳米材料的莲花效应
荷叶的基本化学成分是碳水化合物，很容易吸附水分或污垢。但洒 在荷叶叶面上的水却会自动聚集成水珠，且水珠的滚动把落在叶面
上的尘埃污泥粘吸滚出叶面，使叶面始终保持干净。在荷叶叶面上
存在着非常复杂的多重纳米和微米级的超微结构。
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一、纳米材料及纳米技术
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一、纳米材料及纳米技术
—3.量子尺寸效应
例如，导电的金属在超微颗粒时可以变成绝缘 体，磁性的大小和颗粒中电子是奇数还是偶数 有关，比热亦会反常变化，光谱线会产生向短 波长方向的移动，这就是量子尺寸效应的宏观 表现。
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一、纳米材料及纳米技术 4.宏观量子隧道效应
隧道效应：当微观粒子的总能量小于势垒高度时，
100 80
比 例 60 （ 40 ） 20
0 0 10 20
11
%
30
40
50
粒径 /nm
一、纳米材料及纳米技术
表面效应：
由于表面原子数增多，原子配位不足及高的表面能， 使这些表面原子具有高的活性，极不稳定，很容易与 其他原子结合
金属的纳米粒子在空气中会燃烧；无机的纳米粒子暴 露在空气中会吸附气体，并与气体进行反应。 利用表面活性，金属纳米颗粒可望成为新一代的高效 催化剂和低熔点材料。
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一、纳米材料及纳米技术
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一、纳米材料及纳米技术
1981 年，在瑞士苏黎世 IBM 实验室的Binnig 和 Rohrer 兩位科学家发
明了STM，并获得1986 年诺贝尔物理奖。
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一、纳米材料及纳米技术
扫描隧道显微术(Scanning Tunnelling Microscopy) STM水平分辨率小于0.1纳米，垂直分辨率小 于0.01纳米。 一般来讲，物体在固态下原子之间的距离在 零点一到零点几个纳米之间。 在扫描隧道显微镜下，导电物质表面结构的 原子、分子状态清晰可见。
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二、纳米结构单元及典型的纳米材料
第三阶段(从1994年到现在)纳米组装体系的研究。
米结构组装体系，二是纳米结构自组装体系。
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一、纳米材料及纳米技术
纳米材料： 广义地，纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于 纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料。
如果按维数，纳米材料的基本单元可以分为四类： (1)零维:在空间三维尺度在纳米尺度(纳米粉体、纳米团簇)； (2)一维:在空间有两维在纳米尺度(纳米丝(棒、管)等； (3)二维:在三维空间中有一维在纳米尺度(超薄膜、纤维材料) (4)三维:尺寸为1-100nm的粒子为主体形成的纳米块体
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相关的网站
1.美国国家纳米行动计划 http://www.nano.gov 2.日本纳米计划 http://www.jst.go.jp/erato http://www.iijnet.or.jp/MMC 3.德国纳米计划 http://www.nanonet.de/english/default.htm 4.英国纳米行动计划 5.世界纳米结构科学和技术调查报告 http://itri.loyola.edu/nano/ 6.中国纳米 http://www.nanochina.cn/chinese/index.php
功能材料
纳米材料概述
主讲教师：孙兰 课时：4学时
主要内容
纳米材料及纳米技术 几种典型的纳米材料 纳米材料的制备方法 纳米材料的性能
纳米材料的应用及发展
2
参考书
纳米材料和纳米结构，张立德 牟季美，科学 出版社 纳米材料导论，曹茂盛 关长斌等，哈尔滨工 业大学出版社 纳米技术与应用，顾宁 付德刚等，人民邮电 出版社 功能材料与纳米技术， 李玲，向航，化学工业 出版社
该粒子仍能穿越这一势垒。
近年来，人们发现一些宏观量如微颗粒也具有隧道 效应，可以穿越宏观系统的势垒而产生变化，故称
之为宏观量子隧道效应。
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一、纳米材料及纳米技术 —4.宏观量子隧道效应
在制造半导体集成电路时，当电路的尺寸接近电 子波长时，电子就通过隧道效应而溢出器件，使器 件无法正常工作，经典电路的极限尺寸大概在0.25 微米。 当微电子器件进一步细微化时，必须要考虑上述
39
一、纳米材料及纳米技术
扫描隧道显微术(Scanning Tunnelling Microscopy)
STM的基本原理是利用量子理论中的隧道效应 。将原子线度的极
细探针和被研究物质的表面作为两个电极，当样品与针尖的距离 非常接近时（通常小于1nm），在外加电场的作用下，电子会穿
过两个电极之间的势垒流向另一电极 。这种现象即是隧道效应。
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一、纳米材料及纳米技术
2.小尺寸效应
随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起 颗粒性质的质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏 观物理性质的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒 而言，尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加， 从而产生如下一系列新奇的性质。 特殊的光学、磁学、热学、力学性质
13
2. 小尺寸效应 （1） 特殊的光学性质 当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，即失 去了原有的富贵光泽而呈黑色。 事实上，所有的金属在超微颗粒状态都呈现为 黑色。尺寸越小，颜色愈黑。
14
一、纳米材料及纳米技术
金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于l％， 大约几微米的厚度就能完全消光。应用于红外敏感元件、 红外隐身技术等。 1991年春的海湾战争，美国F－117A型隐身战斗机外 表所包覆的材料中就包含有多种纳米超微颗粒，它们对 不同波段的电磁波有强烈的吸收能力，以欺骗雷达，达 到隐形目的，成功地实现了对伊拉克重要军事目标的打 击。
40
一、纳米材料及纳米技术
电流I对针尖和样品表面之间的距离s变化非常敏
感。如果此距离减小仅仅0.1nm，隧道电流I将
会增加10倍；反之，如果距离增加0.1nm，隧道
电流I就会减少10倍。
通过控制针尖与样品表面间距的恒定，并使针
尖沿表面进行精确的三维移动，且将表面形貌
和表面电子态等有关表面信息记录下来。