纳米材料性质

量子尺寸效应、宏观量子隧道效应将会是未来 微电子、光电子器件的基础，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 进一步微型化时必须要考虑量子效应
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
纳米微粒与大块材料相比，其吸收带普遍存在“蓝 移”现象，即吸收带移向短波方向。
纳米碳化硅颗粒和大块碳化硅固体的红外吸收频率 峰值分别是814cm－1和794cm－1。纳米碳化硅颗粒的 红外吸收频率较大块固体蓝移了20cm－1
纳米氮化硅颗粒和大块氮化硅固体的峰值红外吸收 频率分别是949cm－1和935cm－1，纳米氮化硅颗粒的 红外吸收频率比大块固体蓝移了14cm－1
第二讲 纳米材料性质
基本效应 物化特性 应用实例
基本效应
纳米尺度下，物质中电子的波性以及原子之间的相互 作用将受到尺度大小的影响
在这个尺度时，物质会出现完全不同的性质，即使不 改变材料的成分，纳米材料的熔点、磁性、电学性能、 光学性能、力学性能和化学活性都将和传统材料大不 相同，呈现出用传统模式和理论无法解释的独特性能
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
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
ห้องสมุดไป่ตู้
二、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，引起声、光、电 磁、热力学等物性均会发生变化
特殊的磁学性质
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 20nm以下 时，其矫顽力可增加一千倍；若进一步减小其尺寸，大约 小于 6nm时，其矫顽力反而降低到零，呈现出超顺磁性
人们发现鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趋磁 细菌等生物体中存在超微的磁性颗粒，使这类生物在地磁 场导航下能辨别方向，具有回归的本领
当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附 近的电子能级由准连续变为离散能级，纳米半 导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和 最低未被占据的分子轨道能级而使能隙变宽， 上述现象均称为量子尺寸效应
四、宏观量子隧道效应
隧道效应：微观粒子具有贯穿势垒的能 力
纳米颗粒的一些宏观量（磁化强度、量 子相干器件中的磁通量及电荷等）具有 隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势 阱而产生变化，称为宏观的量子隧道效 应
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
纳米材料奇特的物性
四种效应构成了纳米颗粒和纳米固体的 基本特性，使它们呈现出许多奇特的物 理和化学性质，出现一些不同于其它大 块材料的“反常现象”
光学特性 扩散特性
光学特性
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相当时，小颗粒的量子 尺寸效应十分显著。同时大的比表面使处于表 面态的原子、电子与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 子尺寸对纳米微粒的光学特性有很大的影响， 甚至使纳米微粒具有同质的大块物体所不具备 的新的光学特性
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
金的常规熔点为1064 ℃ ，当颗粒尺寸减小到10nm尺寸时， 则降低27℃，2nm尺寸时的熔点仅为327 ℃左右
银的常规熔点为670 ℃，而超微银颗粒的熔点可低于100℃
超微颗粒熔点下降的性质对粉末冶金工业具有一定的吸引力。 在钨颗粒中附加0.1％～0.5％重量比的超微镍颗粒后，可使 烧结温度从3000℃降低到1200～1300℃
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
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2-1 表面原子数与粒径的关系
在趋磁细菌体内通常含有20nm磁性氧化物颗粒。磁性超微 颗粒实质上是一个生物磁罗盘，生活在水中的趋磁细菌依 靠它游向营养丰富的水底
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
一、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。当尺寸减小到纳米量 级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 如铂纳米粒子的反射率为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
二、蓝移现象
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