纳米材料综述要点

纳米材料综述

一、基本定义

1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着

纳米科学技术的正式诞生。

1、纳米

纳米是一种长度单位，1纳米=1×10-9米，即1米的十亿分之一，单位符

号为 nm。

2、纳米技术

纳米技术是在单个原子、分子层次上对物质的种类、数量和结构形态进行

精确的观测、识别和控制的技术，是在纳米尺度范围内研究物质的特性和

相互作用，并利用这些特性制造具有特定功能产品的多学科交叉的高新技

术。其最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原子、分子，制造出

具有特定功能的产品。

纳米技术的发展大致可以划分为3个阶段：

第一阶段(1990年即在召开“Nano 1”以前主要是在实验室探索各种纳米粉体的制备手段，合成纳米块体(包括薄膜，研究评估表征的方法，探索纳米材料的特殊性能。研究对象一般局限于纳米晶或纳米相材料。

第二阶段 (1990年～1994年人们关注的热点是设计纳米复合材料：

•纳米微粒与纳米微粒复合(0-0复合，

•纳米微粒与常规块体复合(0-3复合，

•纳米复合薄膜(0-2复合。

第三阶段(从1994年至今纳米组装体系研究。它的基本内涵是以纳米颗粒

以及纳米丝、管等为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系的研究。

3、纳米材料

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就称为纳米

材料。纳米材料和宏观材料迥然不同，它具有奇特的光学、电学、磁学、热学和力学等方面的性质。

图1 纳米颗粒材料SEM图

二、纳米材料的基本性质

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。金属陶瓷作为刀具材料已有50多年历史，由于金属陶瓷的混合烧结和晶粒粗大的原因其力学强度一直难以有大的提高。应用纳米技术制成超细或纳米晶粒材料时，其韧性、强度、硬度大幅提高，使其在难以加工材料刀具等领域占据了主导地位。使用纳米技术制成的陶瓷、纤维广泛地应用于航空、航天、航海、石油钻探等恶劣环境下使用。

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。

三、纳米材料的主要效应

由于纳米材料具有显然不同于体材料和单个分子的独特性能--体积效应、量子尺寸效应、表面界面效应和宏观隧道效应等及它在电子、光学、化工、陶瓷、生物和医药等诸多方面的重要应用而引起人们的高度重视。

1、小尺寸效应（体积效应）

当颗粒的尺寸与光波的波长、传导电子的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，晶体原有的周期性及边界条件将被破坏，非晶态纳米微粒表面层附近原子密度减小，导致光、电、声、磁、热、力等物性发生严重的变化，呈现出一种新的体积效应，其他性质都是此效应的延伸。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转变；超导相向正常相的转变：声子谱发生改变等。

2 、量子尺寸效应

量子尺寸效应是指纳米粒子尺寸下降到一定值时，费米能级附近的电子能级由准连续变为分散能级的现象。早在60年代Kubo就采用电子模型给出了决定能级间距的著名公式，其中为能级间距，为费米能级，N为总电子数。对常规物体，因包含有无限多个原子（即所含电子数N → ∞），故常规材料的能级间距几乎为零（→ 0）；而对纳米粒子，因其含原子数有限，有一定的数值，即能级发生了分裂.当能级的间距大于热能、磁能、光子能量、超导态的凝聚能等典型能量值时，必然因量子效应导致纳米微粒的光、热、电、磁、声等特性与常规材料有显著不同。例如，特异的光催化性、高光学非线性及电学特性等。

对于TiO2，实验研究表明[3]，当TiO2粒径小于10nm时，显示明显的量子尺寸效应，光催化反应的量子产率迅速提高；锐钛矿相TiO2的粒径为3.8nm时，其量子产率是粒径为53nm的27.2倍。

3 、表面效应（界面效应）