纳米材料

绪论

1、纳米科技的提出：源自于费曼大师1959年在美国物理学会年会上的一次演讲。Richard Feynman：世界上首位提出纳米科技构想的科学家。

2、纳米材料

（1）纳米材料的定义：物质结构在三维空间至少有一维处于纳米尺度，或由纳米结构单元组成且具有特殊性质的材料（也是以维数划分纳米材料的原因）

（2）纳米尺度：1-100 nm范围的几何尺；

纳米的单位:1 nm = 10^-9 m，即千分之一微米(μm)。

（3）纳米结构单元：具有纳米尺度结构特征的物质单元，包括纳米团簇、纳米颗粒、纳米管、纳米线、纳米棒、纳米片等

（4）纳米材料的维度：

○1零维：纳米团簇、纳米颗粒、量子点（三维尺度均为纳米级，没有明显的取向性，近等轴状）

○2一维：纳米线、纳米棒、纳米管（单向延伸、二维尺度为纳米级、第三维尺度不限，、直径大于100 nm，具有纳米结构）

○3二维：纳米片、纳米带、超晶格、纳米薄膜（一维尺度为纳米级，面状分布，，厚度大于100 nm，具有纳米结构）

○4三维：纳米花、四脚针等（包含纳米结构单元，三维尺寸均超过纳米尺度，由不同型低维纳米结构单元复合形成）

（5）纳米材料的分类○1具有纳米尺度外形的材料

○2以纳米结构单元作为主要结构组分所构成的材料

3、久保理论：即金属的超微粒子将出现量子限域效应，显示出与块体金属显著不同的性能；金属纳米粒子，量子限域效应。

4、扫描隧道电子显微镜(STM)：将探针靠近导电材料表面进行扫描，获得表面图像。分辨率达0.1~0.2 nm，可以直接观察和移动原子。

5、原子力显微镜(AFM)：利用针尖和材料原子间的相互微弱作用力来获得材料表面的形貌图像。可用于研究半导体、导体和绝缘体。

AFM三大特点：原子级高分辨率、观察活生命样品和加工样品的力行为成就。6、纳米科技的研究内容：纳米科学、纳米技术与纳米工程

分支学科：纳米力学：研究物体在纳米尺度的力学性质

纳米物理学：研究物质在纳米尺度上的物理现象及表征

纳米化学：研究纳米尺度范围的化学过程及反应

纳米生物学：利用纳米的手段解决生物学问题，在分子水平揭示细胞内外的物质、能量与信息交换机制；

纳米医学：利用纳米科技解决医学问题的边缘交叉学科

纳米材料学：包括纳米材料的成分、结构、性能与使用效能四个方面。

成分：是影响性能的基础

结构：决定材料性能的关键材料

性能：各种物理或化学性质

效能：材料在使用条件下的表现

第二章

1、纳米材料的基本效应：量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应、库伦堵塞效应、量子隧穿效应、介电限域效应、量子限域效应

（1）量子尺寸效应：当粒子的尺寸下降到或小于某一值时(激子波尔半径)，金属费米能级附近的电子能级会由准连续变为离散能级的现象，以及纳米半导体微粒中最高被占据原子轨道和最低未被占据原子轨道的能级带隙变宽的现象，均称为量子尺寸效应。

量子尺寸效应是因能级间距不连续、离散引起的，与温度有关，要求是低温

量子尺寸效应的典型例子：

①随着硒化镉半导体粒径尺寸的减小，能带间隙变宽，发光颜色由红色向蓝色转

移（蓝移现象），即半导体的光谱线吸收带向短波方向移动而产生得蓝移现象；

②温度为1K，纳米Ag颗粒粒径小于14 nm时，Ag变为金属绝缘体。（常温下，

2 nmAg颗粒为绝缘体），即导电的金属制成纳米粒子后变成半导体或绝缘体；

蓝移现象：吸收带向短波长方向移动，颗粒尺寸变小后，吸收峰蓝移。

（2）小尺寸效应（体积效应）：当固体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被破坏，非晶态颗粒表面层附近原子密度减小，导致材料宏观物理性质上的一些新变化，称为小尺寸效应。小尺寸效应不要求低温，性能随温度的变化没有突变。

小尺寸效应的典型例子：

①2 nm的金颗粒熔点为600 K，随粒径的增加，熔点迅速上升，10 nm时为

1310K，块体金为1337 K，即纳米粒子的熔点可以远远低于块体金属；

②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，银白色的铂

金变成铂黑，即当金属被细分到小于光波波长的尺寸时，即失去了原有的光泽

而呈黑色。

（3）表面效应：纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随着纳米粒子尺寸的减小而大幅度地增加，粒子的表面能及表面张力也随着增加，从而引起纳米粒子性质的变化（4）宏观量子隧道效应：电子具有粒子性又有波动性。微观粒子具有贯穿势垒的能力，称为隧道效应，人们发现一些宏观物理量具有隧道效应，称为宏观量子隧道效应（5）库伦堵塞：前一个电子对后一个电子的库仑排斥能，导致在一个小体系的充放电过程中，电子不能集体运输，而是一个一个单电子的传输，通常把小体系

中这种单电子运输行为称为库仑堵塞效应。

一旦某个电子隧穿进入了金属微粒，它将阻止随后的第二个电子再进入同一金属微粒，导致系统总能的增加，就是库仑阻塞现象。

库伦堵塞的典例：利用库仑阻塞效应就有可能使电子逐个隧穿进出库仑岛，实现单电子隧穿过程。利用库仑堵塞效应可以设计单电子晶体管等纳米结构器件。

（6）量子隧穿效应：量子力学里，粒子具有波动性，能量大于势垒的粒子可以越过势垒，能量小于势垒的粒子也有一定的概率穿透势垒的现象，称为量子隧穿效应。粒子越过势垒概率的大小，取决于势垒高度、宽度及粒子本身的能量。纳米晶体的晶界是一个典型的势垒。

量子隧穿效应的典例：

①半导体纳米晶颗粒组成的薄膜中，电子通过量子隧穿效应可以实现在纳米晶晶

界间的电子跳跃传输