纳米材料---陈攀

微观粒子具有贯穿势垒的能力。 在两片金属间夹有极薄的绝缘层（厚度大约 为1nm（10-6mm），如氧化薄膜），当两端 施加势能形成势垒V时，导体中有动能E的部 分微粒子在E<V的条件下，可以从绝缘层一 侧通过势垒V而达到另一侧的物理现象。
近年来，人们发现一些宏观量，例如微颗粒的磁化 强度，量子相干器件中的磁通量等亦有隧道效应， 称为宏观的量子隧道效应。 宏观量子隧道效应的研究对基础研究及实用都有着 重要的意义，它限定了磁带、磁盘进行信息贮存的 时间极限。量子尺寸效应、隧道效应将会是未来电 子器件的基础，或者它确立了现存微电子器件进一 步微型化的极限。当电子器件进一步细微化时，必 须要考虑上述的量子效应。
小尺寸效应(Small size effect)，当颗粒的尺 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， 非晶态纳米粒子的颗粒表面层附近的原子密 度减少，导致声、光、电、磁、热、力学等 特性呈现新的物理性质的变化称为小尺寸效 应。
纳米光电材料是利用纳米材料的一系列介观 或量子特性，大大提高光电转换效率、发现 和制备新的转换装置或大大降低成本。目前， 纳米光电材料的研究已经在太阳能电池、光 电开关、图像记录、光储存、光催化合成以 及环境保护等方面取得了重要的进展，为太 阳能及其他光能的利用开辟了广泛的途径。
热电材料时一种先进的能量转换材料，通过 载流子的移动能静态的进行热能与电能相互 转换。利用热电材料制备的发电器、制冷器、 传感器等组件具有体积小、质量轻、结构简 单、无介质泄露、无噪声、无磨损、移动方 便、使用寿命长等优点，在军事、航天等高 科技领域，在废热发电、医学恒温、小功率 电源、微型传感器等民用领域有着广泛的应 用前景。
纳米材料还广泛应用于环境保护中，它具有能耗低、 操作简便、反应条件温和、可减少二次污染等突出 特点。 纳米材料在生物学性能也有广泛应用，用纳米颗粒 很容易将血样中极少的胎儿细胞分离出来，方法简 便，成本低廉，并能准确判断胎儿细胞是否有遗传 缺陷。人工纳米材料由于其所具有的独特性质能满 足人类发展中的多样化需求，近年来获得迅速的发 展。目前，越来越多的人工纳米材料已被投放市场， 给人们的生活带来巨大的变化和进步。
纳米材料中界面原子所占的体积分数很大，它对材 料性能的影响非常显著。低温超塑性是纳米材料的 一个重要特性，普通陶瓷只有在1 000℃以上，在小 于一定的应变速率时才能表现出塑性，而许多纳米 陶瓷在室温下就会发生塑性变形。这种纳米陶瓷增 韧效应主要归因于大量界面的存在。而它的塑性变 形主要是通过晶粒之间相对滑移而实现的。
当材料的结构具有纳米尺寸调制特征时，将呈现许 多特异的性能。 陶瓷材料在通常情况下呈脆性，然而有纳米超微颗 粒压制成的纳米材料却具有良好的韧性。这是因为 纳米材料具有很大的界面和比表面积，界面的原子 在外力变形的条件下具有很高的扩散速率，因而用 纳米粉末进行烧结，致密化速度快，可降低烧结温 度，并且表现出甚佳的韧性和一定的延展性，使陶 瓷材料具有新奇的力学性能。
小尺寸效应纳米粒子的熔点可远低于块状本 体，此特性为粉末冶金工业提供了新工艺， 利用等离子共振频移随颗粒尺寸变化的性质， 可通过改变颗粒尺寸，控制吸收边的位移， 构造具有一定频宽的微波吸收纳米材料，用 于电磁波屏蔽、隐形飞机等。
量子尺寸效应（The quantum size effect）是 指当粒子尺寸下降到某一数值时，费米能级 附近的电子能级由准连续变为离散能级或者 能隙变宽的现象。当能级的变化程度大于热 能、光能、电磁能的变化时，导致了纳米微 粒磁、光、声、热、电及超导特性与常规材 料有显著的不同。
纳米颗粒可表现出同质大块物体不同的光学特性， 例如宽频带、强吸收、蓝移现象及新的发光现象， 从而可用于发光反射材料、光通讯、光储存、光开 光、光过滤材料、光导体发光材料、光学非线性元 件、吸波隐身材料和红外线传感器等领域。 纳米颗粒在电学性能方面也出现了许多独特性。例 如纳米金属颗粒在低温下呈现绝缘性，纳米钛酸铅、 钛酸钡等颗粒由典型得铁电体变成了顺电体。可以 利用纳米颗粒制作导电浆料、绝缘浆料、电极、超 导体、量子器件、静电屏蔽材料压敏和非线性电阻 及热电和介电材料等。
纳米材料的磁性性能拥有许多功效，利用磁 性纳米颗粒具有高矫顽力的性能，大量应用 于磁带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙等。
在低温或超低温下，纳米粒子几乎没有热阻， 纳米银微粒的轻烧结体是良好的低温导热材 料，超微细氮化铝的导热率即使在常温下也 比大块氮化铝的导热率高4~5倍。 悬浮于流体的纳米颗粒可大幅度提高流体的 热导率及传热效果，例如在水中添加5%的铜 纳米颗粒，热导率可以增大约1.5倍，这对提 高冶金工业的热效率有重要意义。
纳米材料
纳米是一个长度单位，1nm=10---¯9m。纳米 材料是指在结构上具有纳米尺度调制特征的 材料，纳米尺度一般是指1~100nm。 当一种材料的结构进入纳米尺度特征范围时， 其某个或某些性能会发生明显的变化。纳米 尺度和性能的特异变化是纳米材料必须同时 具备的两个基本特征。
纳米材料的分类
谢谢！
表面效应（Surface Effect ）是指纳米粒子表 面原子数与总原子之比随粒径的变小而急剧 增大后引起的性质上的变化。 随着粒径的减小，纳米粒子的表面原子数、 比表面积、表面能及表面结合能都迅速增大。 表面原子处于裸露状态，周围缺少相邻的原 学活性。
按形态，纳米材料可分为纳米颗粒材料、纳 米固体材料（也称纳米块体材料）、纳米膜 材料以及纳米液体材料（如磁性液体纳米材 料和纳米溶胶等）。 按功能，纳米材料可分为纳米生物材料、纳 米磁性材料、纳米药物材料、纳米催化材料、 纳米智能材料、纳米吸波材料、纳米热敏材 料以及纳米环保材料等）。
当纳米材料的结构进入纳米尺度调至范围时， 会表现出小尺寸效应、表面与界面效应、量 子尺寸效应和宏观量子隧道效应等纳米效应
对于量子尺寸而言，对于晶粒状态难以发光 的间接带隙半导体，当其粒径减少到纳米量 级时，会表现出明显的可见光发光现象，且 随着粒径的进一步减少，发光强度逐渐增强， 这是因为颗粒尺寸为纳米量级时，传统固体 理论中量子跃迁选择定则的作用将大大减弱 并逐渐消失，并且由于能级的分裂导致发光 光谱逐渐蓝移。
隧道效应
按材质，纳米材料可分为纳米金属材料、纳米非金 属材料、纳米高分子材料和纳米复合材料。其中纳 米非金属材料又可细分为纳米陶瓷材料、纳米氧化 物材料和其他非金属纳米材料。 按纳米尺度在空间的表达特征，纳米材料可分为零 维纳米材料即纳米颗粒材料、一维纳米材料（如纳 米线、棒、丝、管和纤维等）、二维纳米材料（如 纳米膜、纳米盘和超晶格等）、纳米结构材料即纳 米空间材料（如介孔材料）。