纳米粒子的特性ppt课件

（i）纳米金属和合金与常规材料金属与合金电
导（电阻）行为是否相同?
（ii）纳米材料电导（电阻）与温度的关系有什
么差别?
（iii）电子在纳米结构体系中的运动和散射有什
么新的特点?
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纳米金属与合金的电阻
Gleiter等对纳米金属Cu，Pd，Fe块体的电 阻与温度关系，电阻温度系数与颗粒尺寸的关 系进行了系统的研究表明：随颗粒尺寸减小， 电阻温度系数下降，与常规粗晶基本相似．其 差别在于纳米材料的电阻高于常规材料，电阻 温度系数强烈依赖于晶粒尺寸．当颗粒小于某 一临界尺寸（电子平均自由程）时，电阻温度 系数可能由正变负。
第四节 纳米粒子的特性．
1．热学性质
• 与粗晶材料相比，纳米材料比热较大 。 • 纳米材料的热膨胀数，近乎是单晶的2倍
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• 纳米微粒的熔点、开始烧结温度和晶化温 度均比常规粉体低得多。
• 例如，平均粒径为40nm的纳米铜粒子的熔 点由l 053℃降到750℃，降低了300℃左右；
• 块状的金的熔点l 064℃，当颗粒尺度减到 10nm时，则降低为1037℃，降低了27℃， 2nm时变为327℃；
•
1988年法国科学家Fert小组在[Fe/Cr]周期性多层
膜中，观察 到当施加外磁场时，其电阻下降，变化
率高达50％。因此称之为巨磁电阻效应
(giant magnetoresistance, GMR)。
❖ 1995年，人们以绝缘层Al2O3代替导体Cr，观察 到很大的隧道磁电阻(TMR)现象。 基于GMR和TMR的发现，一个新的学科分支— —磁电子学的概念被提出了。 从那时起，科技人员 一直坚持不懈地努力，将上述创新性发现转化为信息 技术(IT)产业化。
• 20世纪80年代以来，人们用纳米SiO2和纳米TiO2微 粒制成了多层干涉膜，总厚度为微米级，衬在有灯 丝的灯泡罩的内壁，结果不但透光率好，而且有很 强的红外线反射能力。有人估计这种灯泡亮度与传 统的卤素灯相同时，可节省约15％的电.
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优异的光吸收材料
•
纳米微粒的量子尺寸效应等使它对某种波长的光吸收
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• 1999年以GMR多层膜为磁头的硬盘驱动器(HDD) 进入市场，其存储密度达到11Gbits/in2，而1990年 仅为0.1Gbits/in2，10年中提高了100倍。
• 目前GMR的研究开发工作正方兴未艾，而将
上述隧道磁电阻(TMR)多层膜应用于新型随机存 储器 (MRAM)的研究又已经展开。
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2．磁学姓质
(1).超顺磁性
居里－外斯定律：＝ C
T Tc
超顺磁性：矫顽力H c
0，对于 H
kBT
1时：
磁化强度：M P
2 H ，为粒子磁距
3k BT
起源：在小尺寸下，当各向异性能减少到与热运动能可想
比拟时，磁化方向就不再固定在一个易磁化方向，易磁化
方向作无规律的变化，结果导致超顺磁性的出现。
带有蓝移现象。纳米微粒粉体对各种波长光的吸收带有宽
化现象。纳米微粒的紫外吸收材料就是利用这两个特性。
通常的纳米微粒紫外吸收材料是将纳米微粒分散到树脂中
制成膜，这种膜对紫外有吸收能力依赖于纳米粒子的尺寸
和树脂中纳米粒子的掺加量和组分。目前，对紫外吸收好
的几种材料有：30～40nm的TiO2纳米粒子的树脂膜；
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3．光学性质
• (1)宽频带强吸收
• 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。
• 利用此特性可制作高效光热、光 电转换材料，可高效地将太阳能 转化为热电能。此还可作为红外 敏感元件、红外隐身材料等。
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(2)蓝移和红移现象
• 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。
(2).矫顽力 纳米粒子尺寸高于超顺磁临界尺寸时通常呈现高的矫顽力 每个粒子是一个单磁畴.
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(3).居里温度（铁磁体与顺磁体的转变温度） 居里温度Tc与交换积分J成正比，并与原子构形和间距有
关纳米粒子的Tc比固体相应的低。 纳米粒子中原子间距随着颗粒尺寸减少而减小。原子间距
小将会导致J的减小，因而Tc下降。 5nm Ni:点阵参数缩小2.4%
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其它磁性材料
• 软磁材料的发展经历了晶态、非晶态、纳米微 晶态的历程。纳米做晶金属软磁材料具有十分 优异的性能，高磁导率，低损耗、高饱和磁化 强度，己应用于开关电源、变压器。传感器等， 可实现器件小型化、轻型化、高频化以及多功 能化，近年来发展十分迅速。
• 磁电子纳米结构器件是20世纪末最具有影响力 的重大成果。除巨磁电阻效应读出磁头、 MRAM、磁传感器外，全金属晶体管等新型器 件的研究正方兴未艾。磁电子学已成为一门颇 受青睐的新学科。
• 纳米金属固体的硬度要比传统的粗晶材料 硬3—5倍
• 当纳米相Fe晶粒尺寸由100nm减少到6nm 时，纳米的Fe硬度增加了4—5倍。
• 在军事上作为高强度抗穿甲防护材料
• 民用作为抗摩擦材料等 。
•
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5．电学性质
• 由于晶界上原子体积分数的增大，纳米材料的 电阻高于同类粗晶材料
• 由于电导率随粒径减小急剧下降，因此原来的 金属良导体会完全转变成为绝缘体，这种现象 称之为尺寸诱导的金属一绝缘体转变。
• 矫顽力显著增长。
• 粗晶状态下为铁磁性的材料，当粒径小于 某一临界值时可以转变为超顺磁状态。
• 鸽子、蝴蝶、蜜蜂等生物体中存在超微磁 性颗粒，小尺寸超微粒子的磁性比大块材 料强许多倍，20nm的纯铁粒子的矫顽力是 大块铁的l000倍
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纳米多层中的巨磁电阻效应
• 1986年德国科学家Grunberg小组有一重要的发现，就 是在Fe/Cr/Fe三层膜中观察到两个铁层之间通过铬层 产生耦合。
•
在Fe/Cr/Fe系统中，相邻铁层间存在着耦合，
它随铬层厚度的增加而呈正负交替的振荡衰 减形
式。使得相邻铁层磁矩从彼此反平行取向到平行
取向交替变化。外磁场也可使多层膜中铁 磁层的
反平行磁化状态发生变化。当通以电流时，这种
磁化状态的变化就以电阻变化的形式反 映出来。
这就是GMR现象的物理机制。
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碗”。
精选ppt 纳米陶瓷.swf
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Hall—Petch(H—P)关系
• 当晶粒减小到纳米级时，材料的强度和硬 度随粒径的减小而增大，近似遵循经典的 Hall一Petch关系式。
• 强度
• 硬度
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• 人的牙齿之所以有很高的强度，是因为它 是由磷酸钙等纳米材料构成的。
• 由于晶粒减小到纳米量级，使纳米材料的 强度和硬度比粗晶材料高4—5倍。
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红外反射材料
• 高压钠灯以及各种用于拍照、摄影的碘弧灯都要求 强照明，但是电能的69％转化为红外线，这就表明 有相当多的电能转化为热能被消耗掉，仅有一少部 分转化为光能来照明。同时，灯管发热也会影响灯 具的寿命。如何提高发光效率，增加照明度一直是 亟待解决的关键问题，纳米微粒的诞生为解决这个 问题提供了一个新的途径。
• 在传统陶瓷中,晶粒不易滑动,材料呈现脆性;而纳米陶瓷 的晶粒尺寸极小,晶粒容易在其他晶粒上运动,因此具有 高强度和高韧性。如用纳米微晶陶瓷可做成永不生锈、 锋利无比的陶瓷刀具,轻松地剪裁铁皮、切削钢铁。
• 许有多很纳好米的陶塑瓷性（，如甚至ZrO塑2、性T形i2O变3、可S达i3N104）0％在。适当温度下具 • 这就是目前的一些展销会上推出的所谓“摔不碎的陶瓷
(4).磁化率 纳米粒子的磁性与它所含的总电子数的奇偶性密切相关。
电子数为奇数的磁化率服从： 居里－外斯定律：＝ C
T Tc
量子尺寸效应使磁化率遵从d-3规律(d平均颗粒直径)
电子数为偶数的磁化率服从： kBT
磁化率遵从d2规律
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• 在纳米材料中，当粒径小于某一临界值时，
每个晶粒都呈现单磁畴结构，其磁化过 程完全由旋转磁化进行,即使不磁化也 是永久性磁体。
• 另外，纳米材料的GMR现象(磁场中材料电阻 减小)非常明显，磁场中组晶材料的电阻仅下降 1％一2％，而纳米材料电阻下降可达50％一80 ％，为巨磁阻效应。可以做成超高密度存储盘。
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电导
电导是常规金属和合金材料一个重要的性 质．纳米材料的出现，人们对电导（电阻）的研究 又进入了一个新的层次．由于纳米构中庞大体积百 分数的界面使平移周期在一定范围内遭到严重的破 坏．颗粒尺寸愈小，电子平均自由程愈短，这种材 料偏移理想周期场就愈严重，这就带来了一系列的 问题：
• 美国政府大幅度追加纳米科技研究经费，其原 因之一是磁电于器件巨大的市场与高科技所带 来的高利润，其中巨磁电阻效应高密度读出磁 头的市场估计为10亿美元，目前己进入大规模 的工业生产，磁随机存储器的市场估计为1千 亿美元。磁电子传感器件的应用市场亦十分宽 广
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纳米磁极
6极
4极
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8极
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磁性液体
• 纳米粒子粒径小于临界半径(一般为5～10ｎｍ)时 变得有超顺磁性,如把此强磁性纳米粒子包裹一层 表面活性剂后均匀地分散到溶液中,可制得一类新 型液态胶状磁流体材料--磁性液体。
• 磁性液体最先用于宇航工业，后应用于民用工业， 这是十分典型的纳米颗粒的应用，它是由超顺磁 性的纳米微粒包覆了表面活性剂，然后弥散在基 液中而构成。目前美、英、日、俄等国都有磁性 液体公司，磁性液体广泛地应用于旋转密封，如 磁盘驱动器的防尘密封、高真空旋转密封等，以 及扬声器、阻尼器件、磁印刷等应用。
Fe2O3纳米微粒的聚酯树脂膜。前者对400nm波长以下的紫
外光有极强的吸收能力，后者对600nm以下的光有良好的
吸收能力，可用作半导体器件的紫外线过滤器
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隐身材料
• 由于纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波 波长，因此纳米微粒材料对这种波的透过率 比常规材料要强得多，这就大大减少波的反 射率，使得红外探测器和雷达接收到的反射 信号变得很微弱，从而达到隐身的作用；另 一方面，纳米微粒材料的比表面积比常规粗 粉大3～4个数量级，对红外光和电磁波的吸 收率也比常规材料大得多，这就使得红外探 测器及雷达得到的反射信号强度大大降低， 因此很难发现被探测目标，起到了隐身作用。
• 在一些情况下，可以观察到光吸收带相对粗 晶材料呈现“红移”现象，即吸收带移向长 波长。
• 此外，纳米固体有时会呈现一些比常规粗晶 强的，甚至新的光吸收带。
• 纳米材料光学性能研究的另一个方面为非线 性光学效应。
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发光现象
• 纳米二氧化钛的光致发光现象
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• 纳米激光通讯技术的应用
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例如，纳米银细粒径 和构成粒子的晶粒直 径分别减小至等于或 小于18nm和11nm时， 室温以下的电阻随温 度上升呈线性下降， 即电阻温度系数a由正 变负。
• 大块Pb的熔点为600K，而20nm球形Pb微粒 熔点降低为288K；
• 纳米Ag微粒在低于373K时开始熔化，常规 Ag的熔点为1173K左右。
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• 这一特点使低温下将纳米金属烧结成合 金产品成为现实，且为不溶解的金属冶 炼成合金创造了条件。
纳米金属铜的超延展性
•纳米ZrO2的烧结温度比微米级ZrO2的烧结温度降低了400℃
究完全取决于纳米材料科学的进步。任何创新或
转化都以此为基础。但是，纳米尺度是如此之微小，
这给多层膜的制备和微结构表征带来了挑 战。
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纳米磁性材料
• 磁性是物质的基本属性，磁性材料是古老而用 途十分广泛的功能材料，纳米磁性材料是20世 纪70年代后逐步产生、发展、壮大而成为最富 有生命力与宽广应用前景的新型磁性材料。
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美国F117隐形轰炸机
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美国B2隐形轰炸机
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4．力学性能
Hale Waihona Puke • 纳米材料由大量的小原子团簇或晶粒组成,晶粒之间的 界面在决定和控制材料性能方面起至关重要的作用。
• 如纯金属原子容易在金属晶体结构中通过位错这种缺陷 运动,故易于成形;而当金属由纳米晶粒组成时,晶界阻碍 位错运动,且小的晶粒尺寸使位错形成困难,需要更大的 力使材料变形,因而纳米金属的强度和硬度大幅度提高。
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• 以Cr中电子为中介的铁层间的耦合，随着Cr层厚度 增加而振荡衰减。其平均作用范围为1~3nm，这是 对Cr层厚度的一个限制。在金属中，特别是在磁性 金属中，电子平均自由程(10~20nm)和自旋扩散长 度(30~60nm)很短。这是对多层膜各个亚层厚度的 又一限制。
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基于上述原因，可以说GMR和TMR现象的研