纳米材料物理基础
纳米材料基础-电学性质
纳米材料的电学性质从尺寸大小来说，通常产生物理化学性质显著变化的细小微粒的尺寸在０.１微米以下（注１米＝１００厘米，１厘米＝１００００微米，１微米＝１０００纳米，１纳米＝１０埃），即１００纳米以下。
因此，颗粒尺寸在１～１００纳米的微粒称为超微粒材料，也是一种纳米材料。
纳米金属材料是２０世纪８０年代中期研制成功的，后来相继问世的有纳米半导体薄膜、纳米陶瓷、纳米瓷性材料和纳米生物医学材料等。
纳米级结构材料简称为纳米材料(nanomaterial)，是指其结构单元的尺寸介于1纳米～100纳米范围之间。
由于它的尺寸已经接近电子的相干长度，它的性质因为强相干所带来的自组织使得性质发生很大变化。
并且，其尺度已接近光的波长，加上其具有大表面的特殊效应，因此其所表现的特性，例如熔点、磁性、光学、导热、导电特性等等，往往不同于该物质在整体状态时所表现的性质。
纳米颗粒材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子(nano particle)组成。
纳米粒子也叫超微颗粒，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，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，是一种典型的介观系统，它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。
当人们将宏观物体细分成超微颗粒（纳米级）后，它将显示出许多奇异的特性，即它的光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质和大块固体时相比将会有显著的不同。
纳米技术的广义范围可包括纳米材料技术及纳米加工技术、纳米测量技术、纳米应用技术等方面。
其中纳米材料技术着重于纳米功能性材料的生产（超微粉、镀膜、纳米改性材料等），性能检测技术（化学组成、微结构、表面形态、物、化、电、磁、热及光学等性能）。
本文主要讲述纳米材料的电学性质。
纳米材料的电学性质主要从两个方面讲述：导电性，电荷载流子是电子和阴离子，阳离子，以及电子空穴。
节点性，绝缘体（电介质），在外电场作用下内部电场不为零，正负电荷分布的中心分离，产生点偶极矩，即发生电极化。
纳米材料物理热学性质
纳米材料的热学性质纳米材料是一种既不同于晶态，又不同于非晶态的第三类固体材料，通常指三维空间尺寸至少有一维处于纳米量级 ( 1 n m～1 0 0 n m)的固体材料。
由于纳米材料粒径小，比表面积大，处于粒子表面无序排列的原子百分比高达 l 5 ～5 0 ％。
纳米粒子的这种特殊结构导致其具有不同于传统材料的物理化学特性。
纳米材料的高浓度界面及原子能级的特殊结构使其具有不同于常规块体材料和单个分子的性质，纳米材料具有表面效应，体积效应，量子尺寸效应宏观量子隧道效应等，从而使得纳米材料热力学性质具有特殊性，纳米材料的各种热力学性质如晶格参数，结合能，熔点，熔解焓，熔解熵，热容等均显示出尺寸效应和形状效应。
可见，纳米材料热力学性质在各方面均显现出与块体材料的差异性，研究纳米材料的热力学性质具有极其重要的科学意义和应用价值。
一热容1996年，在低温下测定了纳米铁随粒度变化的比热，发现与正常的多晶铁相比，纳米铁出现了反常的比热行为，低温下的电子比热系数减50 %。
1998年，通过研究了粒度和温度对纳米粒子热容的影响，建立了一个预测热容的理论模型，结果表明:过剩的热容并不正比于纳米粒子的比表面，当比表面远小于其物质的特征表面积时，过剩的热容可以认为与粒度无关。
2002年，又把多相纳米体系的热容定义为体相和表面相的热容之和，因为表面热容为负值，所以随着粒径的减小和界面面积的扩大，将导致多相纳米体系总的热容的减小，二.晶格参数，结合能，内聚能纳米微粒的晶格畸变具有尺寸效应，利用惰性气体蒸发的方法在高分子基体上制备了1. 45nm 的pd纳米微粒，通过电子微衍射方法测试了其晶格参数，发现 Pd 纳米微粒的晶格参数随着微粒尺寸的减小而降低。
结合能的确比相应块体材料的结合能要低。
通过分子动力学方法，模拟 Pd 纳米微粒在热力学平衡时的稳定结构，并计算微粒尺寸和形状对晶格参数和结合能的影响，定量给出形状对晶格参数和结合能变化量的贡献研究表明:在一定的形状下，纳米微粒的晶格参数和结合能随着微粒尺寸的减小而降低，在一定尺寸时，球形纳米微粒的晶格参数和结合能要高于立方体形纳米微粒的相应量。
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。
纳米材料的力学特性研究
纳米材料的力学特性研究纳米材料，作为一种新兴的材料，具有独特的物理、化学和力学特性。
力学特性是纳米材料中最为重要的研究方向之一，它关乎到纳米材料的可持续发展以及在各个领域的应用潜力。
本文将以纳米材料的力学特性研究为主题，介绍相关领域的新进展和挑战。
一、纳米材料的力学特性简介纳米材料的力学特性指的是在力学和材料科学中研究材料在施加力的作用下产生的变形行为和力学性能。
纳米材料的力学特性具有独特性，主要体现在以下几个方面：1. 尺度效应：由于纳米材料的尺寸通常在纳米级别，所以其力学特性会受到尺度效应的影响。
纳米材料的强度、硬度和韧性等力学性能与其尺寸有关，呈现出与宏观材料截然不同的特点。
2. 表面效应：纳米材料的表面积较大，表面效应在其力学特性中起到重要作用。
表面效应在纳米材料中导致应力场和位移场分布的非均匀性，从而影响了力学性能。
3. 晶界效应：纳米材料由于其颗粒尺寸较小，晶界的比例相对较高，晶界效应对力学特性的影响较大。
晶界是由不同晶格结构的晶体颗粒之间的相界面组成，晶界的存在会对纳米材料的强度、塑性和断裂韧性等力学性能产生显著的影响。
4. 可控变形：纳米材料具有较好的可塑性和可控变形能力，可以通过改变结构和形貌来调控其力学特性。
这为纳米材料的制备和应用提供了新的技术途径和研究方向。
二、纳米材料力学特性研究方法为了深入研究纳米材料的力学特性，科学家提出了许多研究方法和技术。
以下列举了几种常见的方法：1. 原位实时观察：通过采用透射电子显微镜（TEM）等技术，可以实时观察和记录纳米材料在变形过程中的微观结构和力学行为，进而得到纳米材料的力学性能参数。
2. 纳米压痕：纳米压痕技术可以通过在纳米尺度下施加小负载并测量样品的力学响应，来评估纳米材料的力学特性，如硬度、弹性模量等。
3. 分子动力学模拟：分子动力学模拟是一种基于粒子系统的计算模拟方法，可以模拟纳米材料的力学行为。
通过这种方法，可以研究纳米材料的原子层面的力学响应和变形机制。
典型无机纳米材料制备
典型无机纳米材料制备无机纳米材料是指在纳米尺度范围内具有特殊性质和应用的无机材料。
其制备方法多种多样，包括物理方法、化学方法和生物合成法等。
本文将主要介绍一些典型的无机纳米材料制备方法。
1.物理方法物理方法是通过物理手段来制备无机纳米材料。
最常见的物理方法包括溅射法、蒸发法、磁控溅射法和高能球磨法等。
（1）溅射法：溅射法是利用惰性气体离子轰击固体靶材的表面，使其材料原子或原子团簇从靶表面脱落，并在基底上凝聚成薄膜或纳米结构。
这种方法制备的材料具有较好的薄膜结晶度和纳米晶粒的均匀性。
（2）蒸发法：蒸发法是利用热量将固体材料加热，使其表面原子或离子脱离固体表面，并在基底上沉积成薄膜或纳米结构。
这种方法制备的材料晶粒大小和结晶度较差，但制备过程简单。
（3）磁控溅射法：磁控溅射法是在溅射法基础上加入磁场，使得离子的运动轨迹受到磁场的约束，从而得到具有较高纯度和较好结晶度的材料。
（4）高能球磨法：高能球磨法通过高能冲击和摩擦力将粉末原料进行球磨，使其晶粒尺寸减小到纳米尺度。
这种方法简单易行，但制备的材料晶粒尺寸不均匀。
2.化学方法化学方法是通过化学反应来制备无机纳米材料。
最常见的化学方法包括溶胶-凝胶法、气相沉积法和水热法等。
（1）溶胶-凝胶法：溶胶-凝胶法是将适当的化合物溶解在溶剂中形成溶胶，然后通过化学反应或物理方法使其凝胶。
随后将凝胶加热并干燥，得到无机纳米材料。
这种方法制备的材料具有较好的纯度和较高的孔隙度。
（2）气相沉积法：气相沉积法是将气相中的材料原子或离子通过物理或化学反应沉积在基底上，形成纳米尺度的薄膜或纤维。
这种方法制备的材料薄膜结晶度高，但制备条件较为复杂。
（3）水热法：水热法是在高温高压的水溶液中，通过溶剂热和压力调节来促进反应进行，得到纳米材料。
水热法具有简便、环境友好等优点，适用于制备很多纳米材料。
3.生物合成法生物合成法是利用微生物、植物或其他生物体合成纳米材料。
最常见的生物合成方法包括微生物发酵法和植物提取法等。
纳米材料有哪四个特性
纳米材料有哪四个特性纳米材料是指在三维空间中至少有一维处在纳米尺度范围（1nm~100nm）或由他们作为基本单元构成的材料。
这是指纳米晶体粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。
例如粒子直径为10纳米时，微粒包含4000个原子，表面原子占40%；粒子直径为1纳米时，微粒包含有30个原子，表面原子占99%。
纳米材料的基本特性由于纳米材料是由相当于分子尺寸甚至是原子尺寸的微小单元组成，也正因为这样，纳米材料具有了一些区别于相同化学元素形成的其他物质材料特殊的物理或是化学特性例如：其力学特性、电学特性、磁学特性、热学特性等，这些特性在当前飞速发展的各个科技领域内得到了应用。
纳米微粒尺寸小，表面能高，位于表面原子占相当大的比例。
随着粒径减小，表面原子数迅速增加。
这是由于粒径小，表面积急剧变大所致。
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，很容易与其它原子结合。
例如：金属的纳米粒子在空气中会燃烧，无机的纳米粒空子暴露在空气中会吸附并与气体进行反应。
纳米材料的表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。
随着粒径变小，表面原子所占百分数将会显著增加。
当粒径降到1nm时，表面原子数比例达到约90%以上，原子几乎全部集中到纳米粒子表面。
由于纳米粒子表面原子数增多，表面原子配位数不足和高的表面能，使这些原子易与其它原子相结合而稳定下来，故具有很高的化学活性。
2、小尺寸效应当超细微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；非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小，导致声、光、电磁、热力学等待性呈现新的小尺寸效应。
例如：光吸收显著增加并产生吸收峰的等离子共振频移；磁有序态向磁无序态的转变；超导相向正常相的转变；声子谱发生改变等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。
纳米材料的介绍
纳米材料的介绍一、纳米材料概述纳米材料是指纳米级尺寸的材料，具有良好的化学、光学等性能。
纳米材料泛指三维空间中至少有一维处于纳米尺寸或由它们作为基本单元构成的材料。
根据物理形态的不同，纳米材料可划分为五类：纳米薄膜、纳米粉体、纳米纤维、纳米块体、纳米相分离液体。
纳米材料的性能一般由量子力学决定，其光、电、磁、热性能与普通材料存在明显的差异。
相较于传统材料制品，纳米材料制品在光学、热学、力学、化学等性能方面具有明显优势。
从概念来说，纳米材料是由无数个晶体组成的，它的大小尺寸在1-100纳米范围内的一种固体材料。
主要包括晶态、非晶态的金属、陶瓷等材料组成。
因为它的大小尺寸已经接近电子的相干长度，它有着特殊的性质。
这些特殊性质所表现出来的有导电、导热、光学、磁性等。
目前国内、国际的科学家都在研究纳米材料，试图打造一种全新的新技术材料，将来为人类创造更大的价值。
二、纳米材料定义纳米材料是指三维空间尺度至少有一维处于纳米量级（1-100nm）的材料，它是由尺寸介于原子、分子和宏观体系之间的纳米粒子所组成的新一代材料。
由于其组成单元的尺度小，界面占用相当大的成分。
因此，纳米材料具有多种特点，这就导致由纳米微粒构成的体系出现了不同于通常的大块宏观材料体系的许多特殊性质。
纳米体系使人们认识自然又进入一个新的层次，它是联系原子、分子和宏观体系的中间环节，是人们过去从未探索过的新领域，实际上由纳米粒子组成的材料向宏观体系演变过程中，在结构上有序度的变化，在状态上的非平衡性质，使体系的性质产生很大的差别，对纳米材料的研究将使人们从微观到宏观的过渡有更深入地认识。
三、纳米材料的性质1、"强" 在电子，医保，环保，能源等领域具有更多的优势。
2、"高" 适用纳米材料制作的器材，拥有更高的耐热，导电，高磁导性，可塑性。
3、"轻" 纳米材料更加轻更加便利，体积变小的同时还可以提高效率。
纳米材料的制备原理
纳米材料的制备原理
1. 碳纳米管的制备原理，碳纳米管可以通过电弧放电、化学气相沉积和化学气相沉积等技术制备。
其中，电弧放电是通过在高温下蒸发碳源，使其在惰性气体中凝结成碳纳米管；化学气相沉积则是通过在合适的催化剂下，使碳源气体在高温下裂解并在催化剂表面沉积形成碳纳米管。
2. 金属纳米颗粒的制备原理，金属纳米颗粒可以通过溶液法、气相法和固相法等制备。
溶液法是通过还原金属盐溶液中的金属离子得到金属纳米颗粒；气相法是通过将金属蒸气在合适条件下冷凝成纳米颗粒；固相法是通过固态反应在合适条件下生成金属纳米颗粒。
3. 量子点的制备原理，量子点是通过在合适的条件下控制半导体材料的生长，形成具有量子尺寸效应的微小颗粒。
常见的制备方法包括溶液法、气相法和微乳液法等，其中溶液法是最常用的制备方法，通过在溶液中控制反应条件和生长时间来合成所需尺寸和形貌的量子点。
总的来说，纳米材料的制备原理涉及到物理、化学和材料科学
的多个领域，通过合理设计和控制制备条件，可以获得具有特定形貌和性能的纳米材料。
这些原理为纳米材料的制备提供了重要的理论和实践基础，也为纳米材料在能源、电子、医药等领域的应用奠定了基础。
纳米材料的物理制备方法
纳米材料的物理制备方法
1.气相沉积：通过将金属或化合物材料蒸发在真空条件下，使其在基底表面沉积并形成纳米结构。
这种方法可以制备出高纯度、高结晶度的纳米材料。
2. 溶液法：将金属或化合物材料溶解在溶剂中，通过控制反应条件和添加不同的表面活性剂、模板剂等控制剂来控制纳米结构的形成。
3. 机械法：如球磨法、等离子体法等，可通过机械力和能量激发，将大颗粒材料研磨成纳米级别的颗粒或纤维。
4. 电化学制备：通过控制电解液中的电位和电流密度，使金属或化合物材料在电极表面沉积并形成纳米结构。
5. 光化学制备：利用光化学反应的原理，通过控制光照时间和光照强度等因素来控制纳米结构的形成。
这些物理制备方法都有其特点和适用范围，选择合适的方法可以提高纳米材料的质量和产量，为纳米材料应用领域的拓展提供基础支撑。
- 1 -。
纳米材料学(二)——纳米微粒的特性
表面效应
表面效应是指纳米颗粒表面原子数与总原子数之比随 粒径变小而急剧增大后引起的性质上的变化。纳米粒 子尺寸小，表面能高，表面原子占相当大的比例。例 如粒径为10nm时，比表面积为90m2/g；粒径为5nm 时，比表面积为180m2/g；粒径下降到2nm时，比表 面积猛增到450m2/g。粒子直径减小到纳米级，不仅 引起表面原子数的迅速增加，而且纳米粒子的表面积、 表面能都会迅速增加。这主要是因为处于表面的原子 数较多，表面原子的晶场环境和结合能与内部原子不 同所引起的。表面原子周围缺少相邻的原子，有许多 悬空键，具有不饱和性质，易与其它原子相结合而稳 定下来，故具有很大的化学活性，晶体微粒化伴有这 种活性表面原子的增多，其表面能大大增加。
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。对纳米微粒 吸收带“蓝移”的一种解释是基于纳米 微粒的量子尺寸效应。由于颗粒的尺寸 减小、能隙变宽，即已被电子占据分子 轨道能级与未被占据分子轨道能级之间 的宽度（能隙）随颗粒直径减小而增大， 这是产生蓝移的根本原因。
纳米微粒的化学特性
吸附 分散与团聚 催化作用
吸附
吸附是相接触的不同相之间产生的结合 现象。 吸附可分为两类，物理吸附和化学吸附。 物理吸附是吸附剂与吸附相之间以范德 华力之类较弱的物理力相结合； 化学吸附是吸附剂与吸附相之间以化学 键强结合。
纳米微粒由于有大的比表面和表面原子配位不 足，与相同材质的大块材料相比，有较强的吸 附性。 纳米粒子的吸附性与被子吸附物质的性质、溶 剂的性质以及溶液的性质有关。 电解质和非电解质溶液以及溶液的pH值等都对 纳米微粒的吸附产生强烈的影响。 不同种类的纳米微粒吸附性质也有很大差别。
加入反絮凝剂形成双电层； 加入表面活性剂包裹微粒。
第三章 纳米材料基本的物理效应
（4）特殊的力学性质 4
由于纳米材料粒度非常微小,具有良好的表面效应 由于纳米材料粒度非常微小 具有良好的表面效应 克纳米材 具有良好的表面效应,1克纳米材 料的表面积达到几百平方米。因此,用纳米材料制成的产品其 料的表面积达到几百平方米。因此 用纳米材料制成的产品其 强度、柔韧度、延展性都十分优越 都十分优越， 强度、柔韧度、延展性都十分优越，就象一种有千万对脚的 毛毛虫，当它吸附在光滑的玻璃面上时，由于接触面积大， 毛毛虫，当它吸附在光滑的玻璃面上时，由于接触面积大， 12级台风有也吹不掉它。 级台风有也吹不掉它。 级台风有也吹不掉它 陶瓷材料在通常情况下呈脆性，陶瓷茶壶一摔就碎， 陶瓷材料在通常情况下呈脆性 ， 陶瓷茶壶一摔就碎 ， 然而 由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料， 由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料，竟然可以象弹簧一 良好的韧性。 样具有良好的韧性 样具有良好的韧性。 研究表明，人的牙齿之所以具有很高的强度， 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。 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～ 倍 至于金属 陶瓷等复合纳米材料 金属---陶瓷等复合纳米材料， 粗晶粒金属硬 ～5倍。至于金属 陶瓷等复合纳米材料，其 应用前景十分宽广。 应用前景十分宽广。
各种 元素 的 原 子具 有特 原子、大块晶体、和纳米晶的能态 定的 光谱 线， 如 钠 原子 具有 黄色 的 光 谱线 。由 无数的原子构成固体时， 单独 原子 的 能 级就 并合 成能 带， 由 于 电 子 数目 很多 ， 能 带 中能 级的间 距很 小， 因 此 可 以 看作 是连 续的， 从 能 带 理论 出发 成功 地 解 释了 大块 金属 、半 导 体、绝 缘体 原子 固体 固体能级填充 纳米晶 之间的联系与区别。
纳米复习资料
纳米复习资料本课程以纳米表征学和纳米材料学的内容为主，其中纳米表征学又以扫描探针显微镜(SPM)中的STM和AFM为主。
纳米材料学涉及了纳米材料的基本结构单元，纳米材料的物理效应，以及各维度纳米材料的电子结构和物理、化学特性及其制备方法。
最后是纳米结构的概念和应用。
纳米表征学要点1. 扫描探针显微镜(SPM)的特点2. STM的针尖制备3. AFM的微悬臂偏转检测纳米材料学要点一. 纳米结构单元部分纳米材料的概念及其分类原子团簇的特性C60足球烯的特性碳纳米管的特性和制备方法，CVD法制备碳纳米管中，碳纳米管的生长机理纳米薄膜二.纳米材料的物理基础与基本效应部分小尺寸效应及其影响表面效应三. 纳米微粒的物理和化学特性部分纳米微粒的力、磁、光、光催化性质四. 纳米材料的制备方法部分气体冷凝法氢电弧等离子体法沉淀法水热法(水热技术的特点，水热反应的分类)溶胶凝胶法溅射法流动液面上真空蒸镀法化学气相沉积定义非晶晶化法·纳米陶瓷的制备五. 纳米结构部分纳米结构的定义自组装的定义纳米电子学要点只涉及很少一部分内容: ·单电子器件的基本单元·量子计算机的优点·什么是电导量子化有关纳米材料的安全性,谈谈你个人的看法。
1. 扫描探针显微镜(SPM)的特点分辨率高可实时得到实空间中样品表面的三维图像可以观察单个原子层的局部表面结构可在真空、大气、常温等不同环境下工作配合扫描隧道谱（STS）可以得到有关表面电子结构的信息设备相对简单、体积小、价格便宜2. 纳米材料的概念及其分类两个条件：（1）在三维空间中至少有一维处于纳米尺度或由他们作为基本单元构建的材料（2）于块体材料相比，在性能上有所突变或者大幅提高的材料分类：纳米基本单元是纳米材料学首要的研究内容。
其按空间维数分为：零维，指空间三维尺度均在纳米尺度，如纳米尺度颗粒、原子团簇等。
一维，指空间二维尺度处于纳米尺度，如纳米线(棒)、纳米管等。
纳米材料的几种基本效样
天津理工大学纳米材料与技术研究中心
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， 因此表现出甚佳的韧性与一定的延展性，使陶瓷材 料具有新奇的力学性质。
表（界）面效应的主要影响
熔点降低 烧结温度降低 晶化温度降低 表面化学反应活性 催化活性 纳米材料的（不）稳定性 铁磁质的居里温度降低 纳米材料的超塑性和超延展性 介电材料的高介电常数（界面极化） 吸收光谱的红移现象
三、小尺寸效应（小体积效应）
随着颗粒尺寸的量变ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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。
粒径越小，表面原子所占 比例越高
表面原子 26/27
表面原子 98/125
教育部顧問室奈米科技人才培育計畫
表面原子的效应
•原子配位(coordination)不足 •高表面能
直径小于100nm的微粒之表面效应不可忽略
1 、熔 点 显 著 降 低
与常规粉体材料相比，纳米粒子的表面能高，表面原子数多， 这些表面原子近邻配位不全，活性大，因此，其熔化时所需增 加的内能小得多，这就使得纳米粒子熔点急剧下降。
Double Barrier Tunneling Junction
当颗粒的尺寸很小时（金属为几个nm，半导体为几十nm）， 其充放电过程是不连续的。充入一个电子所需的能量为EC = e2/2C,（C 为体系的电容）。体系越小，C, EC 。该能量 称为库仑阻塞能。
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讲课内容——纳米半导体光催化技术主要内容一、简介•纳米纳米——10-9米，由于颗粒尺寸的微细化，使得纳米材料具有块状材料所不具备的独特性质，如比表面积大大增大，吸附能力大大增强。
•半导体半导体——常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料，具有热敏、光敏等特性。
半导体的能带结构半导体存在一系列的满带，最下面的满带成为价带（valence band，VB）；存在一系列的空带，最上面的空带称为导带（conduction band，CB）；价带和导带之间为禁带。
当用能量等于或大于禁带宽度（Eg）的光照射时，半导体价带上的电子可被激发跃迁到导带，同时在价带上产生相应的空穴，这样就在半导体内部生成电子（e-）－空穴（h+）对。
为了形象地说明电子空穴对，利用生活中常见的石榴来比喻：石榴籽：光致电子石榴籽留下的空洞：光致空穴光致电子：存在于导带中。
光致空穴：存在于价带中。
二者有复合的趋势，即在持续的光照射下，光子不断的轰击价带，导致光致电子和光致空穴不断产生，该分离过程以纳秒计算，然后，光致电子重新回到光致空穴中，二者复合。
•光催化光催化于1967年被当时还是东京大学研究生的藤岛昭教授发现。
在一次试验中对放入水中的氧化钛单晶进行了紫外灯照射，结果发现水被分解成了氧和氢。
这一效果作为“本多·藤岛效果”（Honda-Fujishima Effect）而闻名于世，该名称组合了藤岛教授和当时他的指导教师----东京大学校长本多健一的名字。
1976 年，John.H.Carey报道了TiO2光催化氧化法用于污水中PCB 化合物脱氯去毒的成功结果后，自从那时起，针对光催化技术，学术界围绕太阳能利用、光催化降解有机物等展开了多方面的研究。
1985年，Mutsunaga等发现在金属卤灯发出的近紫外光照射下，TiO2 - Pt电极具用杀菌效果，这一发现开创了用光催化方法杀菌消毒的先河。
因其具备良好的耐候性、耐化学腐蚀性、抗紫外线能力强、透明性优异等特点，被广泛应用于汽车、感光材料、光催化剂、化妆品、食品包装材料、陶瓷添加剂、气体传感器及电子材料等。
我国的光催化研究起步于上世纪90年代，现在正在蓬勃发展；国家环境光催化工程技术研究中心，位于福州大学内，付贤智院士领衔，是我国目前光催化领域中规模最大、科研实验条件最好、在国内外光催化领域具有重要影响的研究机构。
中科院化学所光化学重点实验室，赵进才院士领衔，致力于可见光下有毒有机污染物催化降解，取得重要成果，在国内外具有广泛影响。
南京大学长江学者特聘教授邹志刚教授，973计划“光催化材料及其应用的基础研究”的首席科学家，首次实现了可见光催化光解水制氢(Nature 414，625，2001)。
二、光催化剂及其原理常见的光催化材料photocatalyst Eg（eV）photocatalyst Eg（eV）Si 1.1ZnO 3.2 TiO2（Rutile) 3.0TiO2(Anatase) 3.2 WO3 2.7CdS 2.4 ZnS 3.7SnO2 3.8 SiC 3.0CdSe 1.7 Fe2O3 2.2α-Fe2O3 3.1下面以TiO2为例，讲述一下其作为光催化剂的一些优点：TiO2的结构与性质TiO2晶型结构示意图金红石型 锐钛矿型何谓光催化？光催化剂（一般为半导体材料）在光(可见光或者紫外光)的照射下，通过把光能转化为化学能，从而具有氧化还原能力，使化合物（有机物、无机物）被降解的过程称为光催化净化。
生活中见到的光催化过程就是光合作用。
从光合作用这种最简单的光催化反应，总结下一个光催化反应发生的三个基本条件： • 叶绿素---光催化剂• 光-------特定波长范围(400-600nm 之间最佳)，非所有光都可以• 反应物------二氧化碳和水T i O T i O 6光催化反应的三个基本条件：光催化剂------一般为半导体材料光------------特定波长范围，非所有光都可以反应物--------空气中的有机物或溶液中的有机污染物或水光催化的一般原理图可同时实现有机物的氧化和无机金属离子的还原，对于复杂的实际废水处理有重要指导意义TiO2光催化的主要限制因素单纯的TiO2只能吸收波长小于387nm 的紫外光，而这部分光在太阳光谱中只占不到5%。
所以，对TiO2改性，使其可见光化，能吸收太阳光中的可见光，提高光能的利用率，成为近年来研究的热点。
hv >EgEg =3.2eV -e +h λ<380nm2TiO 22CO ,H O,etc导带 价带-e 或2VOCs H O 2O ∙-2O ∙+VOCs∙HO听课内容——第九章纳米材料的电学性质S1******* 何超妮所谓纳米材料是指材料基本构成单元的尺寸在纳米范围即1~100纳米或者由他们形成的材料。
由于纳米材料是由相当于分子尺寸甚至是原子尺寸的微小单元组成，也正因为这样，纳米材料具有了一些区别于相同化学元素形成的其他物质材料特殊的物理或是化学特性例如：其力学特性、电学特性、磁学特性、热学特性等，这些特性在当前飞速发展的各个科技领域内得到了应用。
科学家们和工程技术人员利用纳米材料的特殊性质解决了很多技术难题，可以说纳米材料特性促进了科技进步和发展。
1、力学性质高韧、高硬、高强是结构材料开发应用的经典主题。
具有纳米结构的材料强度与粒径成反比。
纳米材料的位错密度很低，位错滑移和增殖符合Frank-Reed模型，其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径还要大，增殖后位错塞积的平均间距一般比晶粒大，所以纳米材料中位错滑移和增殖不会发生，这就是纳米晶强化效应。
2、热学性质纳米材料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非晶体材料的值，这是由于界面原子排列较为混乱、原子密度低、界面原子耦合作用变弱的结果。
因此在储热材料、纳米复合材料的机械耦合性能应用方面有其广泛的应用前景。
例如Cr-Cr2O3颗粒膜对太阳光有强烈的吸收作用，从而有效地将太阳光能转换为热能。
3、电学性质由于晶界面上原子体积分数增大，纳米材料的电阻高于同类粗晶材料，甚至发生尺寸诱导金属——绝缘体转变（SIMIT）。
利用纳米粒子的隧道量子效应和库仑堵塞效应制成的纳米电子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特点，有可能在不久的将来全面取代目前的常规半导体器件。
2001年用碳纳米管制成的纳米晶体管，表现出很好的晶体三极管放大特性。
并根据低温下碳纳米管的三极管放大特性，成功研制出了室温下的单电子晶体管。
随着单电子晶体管研究的深入进展，已经成功研制出由碳纳米管组成的逻辑电路。
4、磁学性质当代计算机硬盘系统的磁记录密度超过1.55Gb/cm2，在这情况下，感应法读出磁头和普通坡莫合金磁电阻磁头的磁致电阻效应为3%，已不能满足需要，而纳米多层膜系统的巨磁电阻效应高达50%，可以用于信息存储的磁电阻读出磁头，具有相当高的灵敏度和低噪音。
目前巨磁电阻效应的读出磁头可将磁盘的记录密度提高到1.71Gb/cm2。
同时纳米巨磁电阻材料的磁电阻与外磁场间存在近似线性的关系，所以也可以用作新型的磁传感材料。
高分子复合纳米材料对可见光具有良好的透射率，对可见光的吸收系数比传统粗晶材料低得多，而且对红外波段的吸收系数至少比传统粗晶材料低3个数量级，磁性比FeBO3和FeF3透明体至少高1个数量级，从而在光磁系统、光磁材料中有着广泛的应用。
纳米材料的电学性能及应用介电特性是材料的重要性能之一,当材料处于交变电场下,材料内部会发生极化,这种极化过程对交变电场有一个滞后响应时间,即弛豫时间。
弛豫时间长,则会产生较大的介电损耗。
纳米材料的微粒尺寸对介电常数和介电损耗有很大影响,介电常数与交变电场的频率也有密切关系。
例如纳米TiO2在频率不太高的电场作用下,介电常数是随粒径增大而增大,达到最大值后下降,出现介电常数最大值时的粒径为1718nm。
一般讲,纳米材料比块体材料的介电常数要大,介电常数大的材料可以应用于制造大容量电容器,或者说在相同电容量下可减小体积,这对电子设备的小型化来讲很有用。
单电子晶体管是诱人的纳米微粒电学性能的体现。
在这里,首先简单介绍一下量子隧道效应和库仑堵塞。
在电学里,导电是电子在导体内运动的表现,如果两个纳米微粒不相连,那么电子从一个微粒运动到另一个微粒就会象穿越隧道一样,若电子的隧道穿越是一个一个发生的,则在电压电流关系图上表出台阶曲线,这就是量子隧道效应。
如果两个纳米微粒的尺寸小到一定程度,它们之间的电容也会小到一定程度,以至于电子不能集体传输,只能一个一个单电子传输,这种不能集体传输电子的行为称之为库仑堵塞。
当纳米微粒的尺寸为1nm时,可以在室温下观察到量子隧道效应和库仑堵塞,当纳米微粒的尺寸在十几纳米范围时,观察这些现象必需在极低温度下,例如-196℃以下。
利用量子隧道效应和库仑堵塞,就可研究纳米电子器件,其中单电子晶体管是重要的研究课题。
图1是单电子晶体管的结构示意图,其中画斜线的部分是连接库仑岛与金属引线的隧道结,库仑岛是半导体纳米微粒或金属纳米微粒,在两端的金属引线上加入电压,输送电子和接收电子的两个电极分别作为“源”和“漏”,电子从“源”到“漏”是单电子隧穿过程和库仑堵塞过程,库仑岛的一侧有另一个电极,称之为“栅”或“门”,“栅”或“门”电极起控制作用图1 单电子晶体管结构示意图由于单电子晶体管耗电极小,体积也极小,可以使大规模集成电路的集成度呈几个数量级地提高,这将会引起新世纪里电子设备的重大变革。
单电子晶体管“库仑岛”上存在或失去一个电子的状态变化可以作为高密度信息存储的记忆单元,为高密度信息存储开辟了一条新的道路。
2001年2月,德国科研机构报道了利用单个电子作为纳米电路开关的研究取得初步进展。
现行的普通硅芯片半导体电路中,微晶体二极管通过电路的接通和断开代表二进制中的“1”和“0”,实现这样一个过程大约需几万个电子。
而德国科学家在研究中发现,由55个Au原子在平面分布形成的“纳米簇”可达到同样的功能,而且实现电路的接通和断开只需要一个电子。
这一项目的研究者之一、埃森大学施密特教授认为,单电子纳米开关电路有可能成为未来更小更精确和耗能更低的芯片的基础,目前全世界计算机超过1亿台,如果以每台消耗功率100W估算,那么仅为计算机供电就需要10GW电量,如果单电子纳米开关电路成为芯片的生产标准,仅在电能消耗上就可以至少降到目前的万分之一,更不用说单电子开关在速度和准确性上的优势。
存在于超晶格材料中的量子阱给超晶格半导体薄膜带来特殊的电学性能,某一能量的电子在周期性结构中运动会具有最大的隧穿几率,利用此特性可制成双极型晶体管、高电子迁移率晶体管等。
另一方面,在一定条件下电子的迁移可以使电子的能量发生转换,若电子能量转换为光子发射,由此可设计出量子阱激光器。