纳米材料基本效应PPT讲稿
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当粒径为10nm时，表面原子数为完整晶粒原子总 数的20％；而粒径降到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的表面
纳米微粒的表面原子数增多，比表面积大， 原子配位不足，表面原子的配位不饱和导 致大量的悬空键和不饱和键，表面能高， 使这些表面原子具有高的活性，极不稳定， 很容易与其他原子结合
特殊的光学性
黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，即 失去了原有的富贵光泽而呈黑色。事实上，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（白金）变成铂 黑，金属铬变成铬黑。金属超微颗粒对光的反 射率很低，通常可低于l％，大约几微米的厚度 就能完全消光
利用这个特性可以作为高效率的光热、光 电等转换材料，可以高效率地将太阳能转变为 热能、电能
美国学者报道氟化钙纳米材料在室温下可以大幅度弯 曲而不断裂。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。呈纳 米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬3～5倍
三、量子尺寸效应
能带理论表明，金属费米能级附近电子能级一 般是连续的，这一点只有在高温或宏观尺寸情 况下才成立
小尺寸效应
表面效应
量子尺寸效应
宏观量子隧道效应
一、表面效应
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
纳米微粒尺寸小，表面能高，位于表面的原子 占相当大的比例。随着粒径减小，表面原子百 分数迅速增加
图3-1 表面原子数与粒径的关系
小尺寸的超微颗粒磁性与大块材料显著的不同，大块的纯 铁矫顽力约为 80安／米，而当颗粒尺寸减小到 2×10-2微 米以下时，其矫顽力可增加1千倍，若进一步减小其尺寸， 大约小于 6 × 10-3微米时，其矫顽力反而降低到零，呈现 出超顺磁性
纳米微粒的表面原子数增多，比表面积大， 原子配位不足，表面原子的配位不饱和导 致大量的悬空键和不饱和键，表面能高， 使这些表面原子具有高的活性，极不稳定， 很容易与其他原子结合
特殊的光学性
黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，即 失去了原有的富贵光泽而呈黑色。事实上，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（白金）变成铂 黑，金属铬变成铬黑。金属超微颗粒对光的反 射率很低，通常可低于l％，大约几微米的厚度 就能完全消光
利用这个特性可以作为高效率的光热、光 电等转换材料，可以高效率地将太阳能转变为 热能、电能
美国学者报道氟化钙纳米材料在室温下可以大幅度弯 曲而不断裂。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。呈纳 米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬3～5倍
三、量子尺寸效应
能带理论表明，金属费米能级附近电子能级一 般是连续的，这一点只有在高温或宏观尺寸情 况下才成立
小尺寸效应
表面效应
量子尺寸效应
宏观量子隧道效应
一、表面效应
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
纳米微粒尺寸小，表面能高，位于表面的原子 占相当大的比例。随着粒径减小，表面原子百 分数迅速增加
图3-1 表面原子数与粒径的关系
小尺寸的超微颗粒磁性与大块材料显著的不同，大块的纯 铁矫顽力约为 80安／米，而当颗粒尺寸减小到 2×10-2微 米以下时，其矫顽力可增加1千倍，若进一步减小其尺寸， 大约小于 6 × 10-3微米时，其矫顽力反而降低到零，呈现 出超顺磁性
第三章 纳米材料基本的物理效应_PPT课件
• 如果两个量子点通过一个“结”连接起来, 一个量子点上的单个电子穿过能垒到另一 个量子点上的行为称作量子隧穿。
electron
• 有人估计,如果量子点的尺寸为1nm左右, 我们可 以在室温下观察到上述效应.当量子点尺寸在十几 纳米范围, 观察上述效应必须在液氮温度下.原因 很容易理解, 体系的尺寸越小,电容C越小,e2/2C越 大,[(e2/2C)>kT] 这就允许我们在较高温度下进行 观察.利用库仑堵塞和量子隧穿效应可以设计下一 代的纳米结构器件, 如单电子晶体管和量子开关 等.
四、宏观量子隧道效应
电子具有粒子性又具有波动性，因 此存在隧道效应。隧道效应是基本的量 子现象之一，即当微观粒子的总能量小 于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势 垒。近年来，人们发现一些宏观物理量， 如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中 的磁通量等亦显示出隧道效应，称之为 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微电子器件 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。当微电子器件进一步细微化时 , 必须要考虑 上述的量子效应。例如，在制造半导体集成电路时， 当电路的尺寸接近电子波长时，电子就通过隧道效应 而溢出器件，使器件无法正常工作，经典电路的极限 尺寸大概在0.25微米。目前研制的量子共振隧穿晶体 管就是利用量子效应制成的新一代器件。
• 一、小尺寸效应 • 二、表面效应 • 三、量子尺寸效应 • 四、宏观量子隧道效应 • 五、库仑堵塞与量子隧穿 • 六、介电限域效应
一、小尺寸效应
随着颗粒尺寸的量变，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。对超微颗粒而言，尺寸 变小，同时其比表面积亦显著增加，从 而产生如下一系列新奇的性质。
材料物理课件5纳米材料与纳米效应-PPT课件
13
二、 纳米材料的制备方法（3）
3、固相制备法 固体材料在不发生熔化、气化的情况下使 原始晶体细化或反应生成纳米晶体的过程。 机械研磨法（Mechanical Milling） 固相反应法（Solid Reaction） 大塑性变形法（Severe Plastic Deformation）
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4、宏观量子隧道效应
微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。
近来，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也具有隧道效 应，称为宏观的量子隧道效应。 宏观量子隧道效应无论在基础研究还是实际应 用方面都有着非常重要的意义，它限定了磁带、磁 盘进行信息储存的时间及空间极限。
2019/3/7
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二、 纳米材料的制备方法（1）
1、气相制备法
将高温的蒸气在冷阱中冷凝或在衬底上 沉积和生长出低维纳米材料的方法。
采用气相法可合成纳米粉体、纳米丝和 生长出超晶格薄膜和量子点等。 物理气相沉积法（PVD） 化学气相沉积法（CVD）
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二、 纳米材料的制备方法（2）
纳米晶Cu的自由能随晶 粒尺寸D和温度的变化
（当尺寸D小于1.4nm时， 4 nc Cu的G大于非晶态Cu 的 G而不能维持晶态）
2、量子效应（1）
小尺寸系统的量子效应，是指电子的能量被量子化，形成 分立的电子态能级，电子在该系统中的运动受到约束。 随着金属粒子尺寸的减小，金属费米能级附近的电子能级 由准连续变为离散能级的现象，以及半导体微粒存在不连续 的最高被占据分子轨道和最低未被占据分子轨道，能隙变宽 的现象，均称为量kBT为热能。
当微粒的能隙大于电子的kB时，热运动不能使电子跃过能隙， 电子的状态受到限制，表现出量子效应。对于金属材料，由于 费米面附近的能隙很小，只有当其颗粒非常小时才会产生明显 的量子效应。 对于半导体材料，出现量子效应的尺寸要比金属粒子的尺 寸大得多，其量子效应主要表现为导带与价带间的带隙变宽且 出现能级分离。
《纳米材料简介》课件
纳米材料的制备方法
1
物理法
物理法制备纳米材料的方法包括溅射、热蒸发、磁控溅射等。
2
化学法
化学法制备纳米材料的方法包括溶胶-凝胶法、水热法、微乳液法等。
3
生物法
生物法利用生物体合成纳米颗粒，具有环境友好和可控性强的特点。
纳米材料的挑战与机遇
挑战
纳米材料的安全性、稳定性和环境影响等问题亟待 解决。
机遇
《纳米材料简介》PPT课 件
纳米材料是指在纳米尺度下具有特殊性质和特征的材料。通过控制物质的尺 寸、形态和结构，纳米材料展现出与宏观材料截然不同的性能。
纳米材料的定义
1 微小尺度
纳米材料的尺寸范围一般在1-100纳米之间， 与宏观材料相比具有微小的尺度。
2 特殊特性
纳米材料的特殊尺度和结构导致其独特的物 理、化学和生物性质。
纳米材料在节能环保、医疗健康等领域拥有巨大的 应用潜力。
纳米材料的发展趋势
自组装技术
自组装技术可以制备具有高度 有序的纳米结构，拓展纳米材 料的应用范围。
纳米材料计算设计
通过计算模拟和设计，预测和 优化纳米材料的性能和结构。
可持续发展
发展绿色合成方法和环境友好 的纳米材料制备技术。
高强度
由于纳米尺度下的晶粒尺寸小， 纳米材料具有比宏观材料更高 的强度和硬度。
纳米材料的分类与应用
金属纳米材料
金属纳米颗粒可以应用于催 化剂、电子器件等领域。
纳米复合材料
纳米复合材料具有优异的力 学性能和多功能性，广泛应 用于结构材料、功能材料等。
纳米生物材料
纳米生物材料可以应用于生 物传感、药物递送等领域， 具有广阔的生物医药应用前 景。
由于尺寸的减小，纳米材料的比表面积大大增加，导致其更容易与周围环境相互作用。
纳米材料演讲PPT课件
详细描述
在某些纳米材料中，电子具有穿越势垒的能力，使得材料在 某些物理和化学过程中表现出独特的性质，如氧化还原反应 、光催化等。
03
纳米材料的分类
零维纳米材料
总结词
指三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围的纳米材料。
详细描述
零维纳米材料是指那些在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围的纳米材料， 如纳米颗粒、纳米球等。这些材料通常是通过化学合成或物理制备方法获得，具 有优异的物理、化学和机械性能，广泛应用于能源、环境、医疗等领域。
VS
生物成像与检测
纳米材料可用于生物成像和检测，如荧光 纳米颗粒可用于标记和追踪细胞。
环境治理
污染物吸附与降解
纳米材料具有较大的比表面积和活性，可以 用于吸附和降解水体和空气中的污染物。
环境监测与修复
纳米材料可用于环境监测和修复，如检测水 体中的有害物质和土壤中的重金属。
能源领域
太阳能电池
纳米材料可以提高太阳能电池的效率，如纳 米结构的光吸收层可以增强光吸收。
纳米技术的滥用可能对人类社会造成潜在威胁，需要制定相应的伦理规范和监管措施。
06
结论
纳米材料的重要性和影响
纳米材料在科技、医疗、能源、环保等领域具有广泛的应用前景，对现代社会的发 展具有重要意义。
纳米材料具有独特的物理、化学和机械性能，能够满足许多特定领域的需求，为科 技进步提供新的可能性。
纳米材料在医疗领域的应用，如药物传递、肿瘤治疗等，为疾病诊断和治疗提供了 新的手段，有助于提高人类健康水平。
量子尺寸效应
总结词
纳米材料尺寸减小至一定程度时，电子能级由连续态变为离散态，导致材料的 光学、电学等性质发生变化。
详细描述
当纳米材料尺寸减小至量子点或量子线时，电子能级发生分裂，导致吸收光谱 发生红移或蓝移，对光电器件的性能产生影响。
在某些纳米材料中，电子具有穿越势垒的能力，使得材料在 某些物理和化学过程中表现出独特的性质，如氧化还原反应 、光催化等。
03
纳米材料的分类
零维纳米材料
总结词
指三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围的纳米材料。
详细描述
零维纳米材料是指那些在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围的纳米材料， 如纳米颗粒、纳米球等。这些材料通常是通过化学合成或物理制备方法获得，具 有优异的物理、化学和机械性能，广泛应用于能源、环境、医疗等领域。
VS
生物成像与检测
纳米材料可用于生物成像和检测，如荧光 纳米颗粒可用于标记和追踪细胞。
环境治理
污染物吸附与降解
纳米材料具有较大的比表面积和活性，可以 用于吸附和降解水体和空气中的污染物。
环境监测与修复
纳米材料可用于环境监测和修复，如检测水 体中的有害物质和土壤中的重金属。
能源领域
太阳能电池
纳米材料可以提高太阳能电池的效率，如纳 米结构的光吸收层可以增强光吸收。
纳米技术的滥用可能对人类社会造成潜在威胁，需要制定相应的伦理规范和监管措施。
06
结论
纳米材料的重要性和影响
纳米材料在科技、医疗、能源、环保等领域具有广泛的应用前景，对现代社会的发 展具有重要意义。
纳米材料具有独特的物理、化学和机械性能，能够满足许多特定领域的需求，为科 技进步提供新的可能性。
纳米材料在医疗领域的应用，如药物传递、肿瘤治疗等，为疾病诊断和治疗提供了 新的手段，有助于提高人类健康水平。
量子尺寸效应
总结词
纳米材料尺寸减小至一定程度时，电子能级由连续态变为离散态，导致材料的 光学、电学等性质发生变化。
详细描述
当纳米材料尺寸减小至量子点或量子线时，电子能级发生分裂，导致吸收光谱 发生红移或蓝移，对光电器件的性能产生影响。
《纳米材料》PPT课件 (2)
• 纳米半导体微粒存在不连续最高被 占分子轨道能级和最低未被占分子 轨道导致能隙带变宽（画图说明）
34
Quantum siБайду номын сангаасe effect
Bulk Metal
Nanoscale metal
Unoccupied states
Decreasing the size…
occupied states
Close lying bands
21
纳米材料的独特效应
※小尺寸效应 ※表面效应和边界效应 ※量子尺寸效应 ※宏观隧道效应
22
小尺寸效应
• 当超细微粒的尺寸和光波波长，传 导电子的德布罗意波长，超导态的 相干长度或者透射深度等物理尺寸 相当或者比它们更小时，一般固体 材料的周期性边界条件被破坏，声 光电磁，热力学等特性均会呈现新 的尺寸效应
纳米科技。
1
神奇的纳米材料
走近纳米材料.rm
2
纳米材料的发展过程
• 1959年Feynman提出许多设想:在原子或分子的 尺度上加工制造材料和器件，制造几千百纳米的 电路和10～100纳米的导线。
• 1962年Kubo理论提出:金属的超微粒子将出现量 子效应，显示出与块体金属显著不同的性能。
• 1969年Esaki和Tsu提出了超晶格的概念。
15
碳纳米管
由石墨的片状结构上运 用激光手段剥离下来 ，形成的石墨烯卷成 的无缝中空管体
直径虽只有头发丝的十 万分之一，可是导电 性为铜的一万倍。强 度是钢的100倍，质量 却只有其七分之一。 硬似金刚石，却可以 拉伸
16
超晶格材料
• 由两种不同组元以几个纳米至几十个纳米 的薄层交替生长。并保持严格周期性的多 层膜
34
Quantum siБайду номын сангаасe effect
Bulk Metal
Nanoscale metal
Unoccupied states
Decreasing the size…
occupied states
Close lying bands
21
纳米材料的独特效应
※小尺寸效应 ※表面效应和边界效应 ※量子尺寸效应 ※宏观隧道效应
22
小尺寸效应
• 当超细微粒的尺寸和光波波长，传 导电子的德布罗意波长，超导态的 相干长度或者透射深度等物理尺寸 相当或者比它们更小时，一般固体 材料的周期性边界条件被破坏，声 光电磁，热力学等特性均会呈现新 的尺寸效应
纳米科技。
1
神奇的纳米材料
走近纳米材料.rm
2
纳米材料的发展过程
• 1959年Feynman提出许多设想:在原子或分子的 尺度上加工制造材料和器件，制造几千百纳米的 电路和10～100纳米的导线。
• 1962年Kubo理论提出:金属的超微粒子将出现量 子效应，显示出与块体金属显著不同的性能。
• 1969年Esaki和Tsu提出了超晶格的概念。
15
碳纳米管
由石墨的片状结构上运 用激光手段剥离下来 ，形成的石墨烯卷成 的无缝中空管体
直径虽只有头发丝的十 万分之一，可是导电 性为铜的一万倍。强 度是钢的100倍，质量 却只有其七分之一。 硬似金刚石，却可以 拉伸
16
超晶格材料
• 由两种不同组元以几个纳米至几十个纳米 的薄层交替生长。并保持严格周期性的多 层膜
纳米材料的基本效应及其物理化学性质PPT课件
量子尺寸效应
量子尺寸效应：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。
纳米材料中电子能级分布和块体材料中电子能级分布存在 显著的不同。在大块晶体中，电子能级准连续分布，形 成一个个的晶体能带。金属晶体中电子未填满整个导带， 在热扰动下，金属晶体中电子可以在导带各能级中较自 由地运动，因而金属晶体表现为良好的导电及导热性。 在纳米材料中，由于至少存在一个维度为纳米尺寸，在 这一维度中，电子相当于被限制在一个无限深的势阱中， 电子能级由准连续分布能级转变为分立的束缚态能级。
利用库仑阻塞效应可以实 现单电子隧穿过程。
E e（ e Q） C2
（负号流进，正好流出）
a. │Q│< e/2
b. Q > e/2; Q < -e/2
-
-
库仑岛
I R
v
第16页/共26页
量子隧穿效应
应用实例：扫描隧道显微镜 利用电子隧穿效应，如果两电极相距很近，并在其间加上
微小电压，则探针所在的位置便有隧穿电流产生。利用 探针与样品表面的间距和隧穿电流有十分灵敏的关系， 当探针以设定的高度扫描样品表面时，样品表面的形貌 导致探针和样品表面的间距变化，隧穿电流值也随之改 变。籍探针在样品表面上来回扫描，并记录在每个位置 点上的隧穿电流值，便可得知样品表面原子排列情况。
第3页/共26页
小尺寸效应
特殊的应用价值？
超细银粉制成的导电浆料可以进行低温烧结，此时元件的 基片不必采用耐高温的陶瓷材料，甚至可用塑料；采用 超细银粉浆料，可使膜厚均匀，覆盖面积大，既省料又 具高质量。
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总表面积急 剧增大，比表面积相应的也急剧加大。
•如：把边长为1cm的立方体逐渐分割减小的立方 体，总表面积将明显增加。
边长
1 cm 10-5 cm (100 nm) 10-6 cm (10 nm) 10-7 cm (1 nm)
立方体数
1 1015 1018 1021
• 这样高的比表面，使处于表面的原子数越来越
多，同时表面能迅速增加。
5
• 2. 表面原子数的增加 • 由于粒子尺寸减小时，表面积增大，使处于表
面的原子数也急剧增加．
6
表面原子数占全部原子数的比例和粒径之间的关系
7
• 3．表面能 • 由于表层原子的状态与本体中不同。 • 表面原子配位不足，因而具有较高的表面能。 • 如果把一个原子或分子从内部移到界面，或者
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18
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2. 特殊的热学性质
固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的， 超细微化后却发现其熔点将显著降低，当颗粒小于10 纳米量级时尤为显著。
利用这个特性可以作为高效率的光热、光电等转换材料， 可以高效率地将太阳能转变为热能、电能。此外又有 可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等。
1991年春的海湾战争，美国执行空袭任务的F－117A型隐身战斗 机，其机身外表所包覆的红外与微波隐身材料中就包含有多种 纳米超微颗粒，它们对不同波段的电磁波有强烈的吸收能力， 以欺骗雷达，达到隐形目的。在海湾战争中使用了该项技术， 成功地实现了对伊拉克重要军事目标的打击。
每面面积
1 cm2 10-8 cm2 10-12 cm2 10-14 cm2
总表面 积
6 cm2 6×105cm2 6×106cm2 6×107cm2
4
• 随着粒径减小，表面原子数迅速增加。这是由 于粒径小，总表面积急剧变大所致。
• 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。
团代表位于表面的原子。 空心圆代表内部原子， 颗粒尺寸为3nm，原子 间距为约0.3nm。
11
• 很明显，实心圆的原子近邻配位不完全，存在
缺 少 一 个 近 邻 的 “ E” 原 子 ， 缺 少 两 个 近 邻 的 “ B” 原 子 和 缺 少 3 个 近 邻 配 位 的 “ A” 原 子 ， “A”这样的表面原子极不稳定，很快跑到“B” 位置上，这些表面原子一遇见其他原子，很快 结合，使其稳定化，这就是活性的原因。
能与内部原子有所不同，存在许多悬空键，具 有不饱和性质，因而极易与其他原子相结合而
趋于稳定，具有很高的化学活性。
• 1、比表面积的增加
• 比表面积常用总表面积与质量或总体积的比值
表示。质量比表面积、体积比表面积
•
S g S / G (G代表质量，m2/g)
•
Sv S /V (V代表颗粒的体积；m-1)
• 这种表面原子的活性不但引起纳米粒子表面原
子输运和构型的变化，同时也引起表面电子自 旋构像和电子能谱的变化。
12
• 4、表面效应及其结果
• 纳米粒子的表面原子所处的位场环境及结合能
与内部原子有所不同。
• 存在许多悬空键，配位严重不足，具有不饱和
性质，因而极易与其它原子结合而趋于稳定。
• 所以具有很高的化学活性。
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• 应用：
• ①催化剂，化学活性。Cu, Pd/Al2O3 • ②吸附剂（储氢材料、碳纤维、碳管、
合金等载体）。
• ③导致粒子球形化形状。 • ④ 金属纳米粒子自燃。需钝化处理。
***1*5
第二节小尺寸效应
• 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
干波长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；非晶态纳米微粒的表面层附近原子密度 减小，声、光、电磁、热力学等物性均会发生变化，这就是所 谓纳米微粒的小尺寸效应，又称体积效应。对超微颗粒而言， 尺寸变小，纳米粒子体积小，所包含的原子数很少，相应的质 量极小，因此许多现象不能用有无限个原子的块状物质的性质 加以说明。从而产生如下一系列新奇的性质。
说增大表面积，就必须克服体系内部分子之间 的吸引力而对体系做功。
8
• 在T和P组成恒定时，可逆地使表面积增加dA
所需的功叫表面功。
• 颗粒细化时，表面积增大，需要对其做功，所
做的功部分转化为表面能储存在体系中。
• 因此，颗粒细化时，体系的表面能增加.。
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• 由于表面原子数增多，原子配位不足及高的表面
• （1） 特殊的光学性质
（2） 特殊的热学性质 （3） 特殊的磁学性质 （4）特殊的力学性质 超微颗粒的小尺寸效应还表现在超导电性、介电性能、声学特 性以及化学性能等方面。
16
1. 特殊的光学性质
当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，即失去 了原有的富贵光泽而呈黑色。事实上，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（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。由 此可见，金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低 于l％，大约几微米的厚度就能完全消光。
纳米材料基本效应课件
1
§ 第一节 表面效应
100纳米
10纳米
1纳米
0.1纳米
随着尺寸的减小，比表面积迅速增大
• 表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子
数之比随着粒子尺寸的减小而大幅度的增加， 粒子的表面能及表面张力也随着增加，从而引 起纳米粒子物理、化学性质的变化。
2
• 纳米粒子的表面原子所处的晶体场环境及结合
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• 表（界）面效应的主要影响：
1、表面化学反应活性(可参与反应)。 2、催化活性。 3、纳米材料的（不）稳定性。 4、铁磁质的居里温度降低。 5、熔点降低。 6、烧结温度降低。 7、晶化温度降低。 8、纳米材料的超塑性和超延展性。 9、介电材料的高介电常数（界面极化）。 10、吸收光谱的红移现象。
能，使这些表面原子具有高的活性，极不稳定， 很容易与其他原子结合。
• 例如金属的纳米粒子在空气中会燃烧，无机的纳
米粒子暴露在空气中会吸附气体，并与气体进行 反应。
C60具有良好的催化活性。
10
• 下面举例说明纳米粒子
表面活性高的原因。图 所示的是单一立方结构 的晶粒的二维平面图，
• 假设颗粒为圆形，实心
•如：把边长为1cm的立方体逐渐分割减小的立方 体，总表面积将明显增加。
边长
1 cm 10-5 cm (100 nm) 10-6 cm (10 nm) 10-7 cm (1 nm)
立方体数
1 1015 1018 1021
• 这样高的比表面，使处于表面的原子数越来越
多，同时表面能迅速增加。
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• 2. 表面原子数的增加 • 由于粒子尺寸减小时，表面积增大，使处于表
面的原子数也急剧增加．
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表面原子数占全部原子数的比例和粒径之间的关系
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• 3．表面能 • 由于表层原子的状态与本体中不同。 • 表面原子配位不足，因而具有较高的表面能。 • 如果把一个原子或分子从内部移到界面，或者
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2. 特殊的热学性质
固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的， 超细微化后却发现其熔点将显著降低，当颗粒小于10 纳米量级时尤为显著。
利用这个特性可以作为高效率的光热、光电等转换材料， 可以高效率地将太阳能转变为热能、电能。此外又有 可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等。
1991年春的海湾战争，美国执行空袭任务的F－117A型隐身战斗 机，其机身外表所包覆的红外与微波隐身材料中就包含有多种 纳米超微颗粒，它们对不同波段的电磁波有强烈的吸收能力， 以欺骗雷达，达到隐形目的。在海湾战争中使用了该项技术， 成功地实现了对伊拉克重要军事目标的打击。
每面面积
1 cm2 10-8 cm2 10-12 cm2 10-14 cm2
总表面 积
6 cm2 6×105cm2 6×106cm2 6×107cm2
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• 随着粒径减小，表面原子数迅速增加。这是由 于粒径小，总表面积急剧变大所致。
• 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。
团代表位于表面的原子。 空心圆代表内部原子， 颗粒尺寸为3nm，原子 间距为约0.3nm。
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• 很明显，实心圆的原子近邻配位不完全，存在
缺 少 一 个 近 邻 的 “ E” 原 子 ， 缺 少 两 个 近 邻 的 “ B” 原 子 和 缺 少 3 个 近 邻 配 位 的 “ A” 原 子 ， “A”这样的表面原子极不稳定，很快跑到“B” 位置上，这些表面原子一遇见其他原子，很快 结合，使其稳定化，这就是活性的原因。
能与内部原子有所不同，存在许多悬空键，具 有不饱和性质，因而极易与其他原子相结合而
趋于稳定，具有很高的化学活性。
• 1、比表面积的增加
• 比表面积常用总表面积与质量或总体积的比值
表示。质量比表面积、体积比表面积
•
S g S / G (G代表质量，m2/g)
•
Sv S /V (V代表颗粒的体积；m-1)
• 这种表面原子的活性不但引起纳米粒子表面原
子输运和构型的变化，同时也引起表面电子自 旋构像和电子能谱的变化。
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• 4、表面效应及其结果
• 纳米粒子的表面原子所处的位场环境及结合能
与内部原子有所不同。
• 存在许多悬空键，配位严重不足，具有不饱和
性质，因而极易与其它原子结合而趋于稳定。
• 所以具有很高的化学活性。
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• 应用：
• ①催化剂，化学活性。Cu, Pd/Al2O3 • ②吸附剂（储氢材料、碳纤维、碳管、
合金等载体）。
• ③导致粒子球形化形状。 • ④ 金属纳米粒子自燃。需钝化处理。
***1*5
第二节小尺寸效应
• 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
干波长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；非晶态纳米微粒的表面层附近原子密度 减小，声、光、电磁、热力学等物性均会发生变化，这就是所 谓纳米微粒的小尺寸效应，又称体积效应。对超微颗粒而言， 尺寸变小，纳米粒子体积小，所包含的原子数很少，相应的质 量极小，因此许多现象不能用有无限个原子的块状物质的性质 加以说明。从而产生如下一系列新奇的性质。
说增大表面积，就必须克服体系内部分子之间 的吸引力而对体系做功。
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• 在T和P组成恒定时，可逆地使表面积增加dA
所需的功叫表面功。
• 颗粒细化时，表面积增大，需要对其做功，所
做的功部分转化为表面能储存在体系中。
• 因此，颗粒细化时，体系的表面能增加.。
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• 由于表面原子数增多，原子配位不足及高的表面
• （1） 特殊的光学性质
（2） 特殊的热学性质 （3） 特殊的磁学性质 （4）特殊的力学性质 超微颗粒的小尺寸效应还表现在超导电性、介电性能、声学特 性以及化学性能等方面。
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1. 特殊的光学性质
当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，即失去 了原有的富贵光泽而呈黑色。事实上，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（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。由 此可见，金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低 于l％，大约几微米的厚度就能完全消光。
纳米材料基本效应课件
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§ 第一节 表面效应
100纳米
10纳米
1纳米
0.1纳米
随着尺寸的减小，比表面积迅速增大
• 表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子
数之比随着粒子尺寸的减小而大幅度的增加， 粒子的表面能及表面张力也随着增加，从而引 起纳米粒子物理、化学性质的变化。
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• 纳米粒子的表面原子所处的晶体场环境及结合
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• 表（界）面效应的主要影响：
1、表面化学反应活性(可参与反应)。 2、催化活性。 3、纳米材料的（不）稳定性。 4、铁磁质的居里温度降低。 5、熔点降低。 6、烧结温度降低。 7、晶化温度降低。 8、纳米材料的超塑性和超延展性。 9、介电材料的高介电常数（界面极化）。 10、吸收光谱的红移现象。
能，使这些表面原子具有高的活性，极不稳定， 很容易与其他原子结合。
• 例如金属的纳米粒子在空气中会燃烧，无机的纳
米粒子暴露在空气中会吸附气体，并与气体进行 反应。
C60具有良好的催化活性。
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• 下面举例说明纳米粒子
表面活性高的原因。图 所示的是单一立方结构 的晶粒的二维平面图，
• 假设颗粒为圆形，实心