纳米晶零维材料的物理和化学性能

纳米晶体的分类
❖ 按照结构形态, 纳米晶体可分为四类： ❖ 1 零维纳米晶体, 即纳米尺寸超维粒子。 ❖ 2 一维纳米晶体, 即在一维方向上晶粒尺寸在纳米量
级, 如纳米厚度的薄膜或层wk.baidu.com结构。 ❖ 3 二维纳米晶体, 即在二维方向上晶粒尺寸在纳米量
级, 如直径在纳米量级的线。 ❖ 4 三维纳米晶体, 指晶粒在三维方向上均为纳米尺寸。
❖ 按传统学科体系，纳米材料可分为纳米晶体材料、 纳米陶瓷材料、纳米复合材料、纳米高分子材料。
❖ 按应用目的，可分为纳米电子材料、纳米磁性材料、 纳米发光材料、纳米隐身材料、纳米生物材料等。
纳米晶体
❖ 纳米晶体是指晶粒尺寸在纳米量级的多晶体。由于晶粒极细, 大量的原子处于晶粒之间的界面上。这种独特的结构特征使 纳米晶体成为有别于普通多晶体和非晶态固体的一种新材料, 其中界面成为一种不可忽略的结构组元。因此, 纳米晶体为 研究固体的内界面结构、热力学态及界面特性提供了得天独 厚的条件, 是目前凝聚态物理领域中的一个研究热点。
❖ 所谓烧结温度，是指把粉末先用高压压制成型，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。纳米微粒尺寸 小，表面能高，压制成块材以后的界面具有高能量， 在烧结中的高界面能成为原子运动的驱动力，有利 于界面中的孔洞收缩，空位团的湮没，因此，在较 低的温度下烧结就能达到致密化的目的，即烧结温 度降低。
超顺磁性
❖ 纳米微粒尺寸小到一定临界值时进入超顺磁状态。
❖ 超顺磁状态的起源可归为以下原因：
❖ 在小尺寸下，当各向异性能见效到与热运动 能可相比拟时，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。不同种类的纳米 磁性微粒显现超顺磁的临界尺寸是不同的。
矫顽力
❖ 纳米微粒尺寸高于超顺磁临界尺寸时通常呈 现高的矫顽力Hc。
❖ 例如，用惰性气体蒸发冷凝的方法制备的纳 米Fe微粒，随着颗粒变小饱和磁化强度Ms有 所下降，但矫顽力却显著的增加。
居里温度
❖ 居里温度Tc为物质磁性的重要参数。对于薄 膜，理论与实验研究表明，随着铁磁薄膜厚 度的减小，居里温度下降。对于纳米微粒， 由于小尺寸效应和表面效应而具有较低的居 里温度。
宽频带强吸收
❖ 大块金属具有不同颜色的光泽，这表明它们 对可见光范围各种颜色（波长）的反射和吸 收能力不同。而当尺寸减小到纳米级别时各 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，例如铂金纳米粒子的反射 率仅为1%，金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。
纳米晶-零维材料的 物理和化学性能
纳米材料
❖ 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(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料， 这大约相当于10~100个原子紧密排列在一起的尺度。
❖ 从材料的结构单元层次来说，它介于宏观物质和微 观原子、分子的中间领域。在纳米材料中，界面原 子占极大比例，而且原子排列互不相同，界面周围 的晶格结构互不相关，从而构成与晶态、非晶态均 不同的一种新的结构状态。
❖ 例如，常规Al2O3烧结温度在2073~2173K，在一定 条件下，纳米的Al2O3可在1423K至1773K烧结，致 密度可达99.7%。
2.磁学性能
❖ 纳米微粒的小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应等使得它 具有常规粗晶材料所不具备的磁特性。纳米微粒的主要磁特 性可以归纳如下：
❖ （1）超顺磁性 ❖ （2）矫顽力 ❖ （3）居里温度 ❖ （4）磁化率
通常所说的纳米晶体材料即为三维纳米晶体。
零维纳米材料
❖ 零维纳米结构单元的种类有多样，常见的有 纳米粒子、超细粒子、超细粉、烟粒子、人 造原子、原子团簇及纳米团簇等，不同之处 在于尺寸范围。
物理特性
❖ 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、量子尺寸效应以及宏观量子隧 道效应等导致纳米微粒的热、磁、光、敏感 特征和表面稳定性等不同于常规粒子，这就 使得它具有广阔的应用前景。
1.热学性能
❖ 纳米微粒的熔点、开始烧结温度和晶化温度均比常 规粉体的低得多。由于颗粒小，纳米微粒的表明能 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融化时 所需增加的内能小得多，这就使得纳米微粒熔点急 剧下降。
❖ 例如，大块Pb的熔点为600K，而20nm球形Pb微粒 熔点降低288K；纳米Ag微粒在低于373K开始熔化， 常规Ag的熔点为1173K左右。
❖ 许多实验证明，纳米微粒内原子间距随粒径 下降而减小。有人直接证明了Ni，Cu的原子 间距随着颗粒尺寸的减小而减小。
磁化率 ❖ 纳米磁性金属的磁化率是常规金属的20倍。
3光学性能
❖ 纳米粒子的一个最重要标志是尺寸与物理的特征量 差不多，例如当纳米粒子的粒径与超导相干波长、 波尔半径以及电子的德布罗意波长想当时，小颗粒 的量子尺寸效应十分显著。与此同时，大的比表面 使处于表面态的原子，电子处于小颗粒内部的原子、 电子的行为有很大的差别，这种表面效应和量子尺 寸效应对纳米微粒的光学特征有很大的影响。甚至 使纳米微粒具有同样材质的宏观大块物体不具备的 新的光学特性。
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用“原子”写的“原子”
纳米材料的分类
❖ 狭义上讲，纳米材料就是有关原子团簇、纳米颗粒、 纳米线、纳米薄膜、纳米碳管和纳米固体材料等的 总称。
❖ 广义上讲，纳米材料是晶粒或晶界等显微构造能达 到纳米尺寸水平的材料。
纳米晶体
❖ 纳米晶体独特的结构特征也使其表现出一系 列与普通多晶体和非晶态固体有本质差别的 性能, 如高强度, 良好的塑性变形能力, 高比热, 高热膨胀系数, 独特的电、磁性能等。特别是 纳米晶体表现出的超塑性行为使陶瓷材料增 韧和改善金属材料的强韧综合性能提供了新 的可能性。所以, 纳米晶体材料得到了世界各 国材料科学家的普遍重视, 被誉为“ 二十一 世纪的新材料”。