第二章 纳米材料的基本性质综述
纳米材料性质
当材料处于纳米晶状态时，材料的固溶扩散 能力往往提高
无论液相还是固相都不混溶的金属，在处于纳 米晶状态时，会发生固溶，产生合金。典型的 例子是Ag-Fe，Ti-Mg，Cu-Fe系统
许多实验证明固溶能力的提高源于界面的弹性 应变
增强的扩散能力产生的另一个结果是可以使 纳米结构材料的烧结温度大大的降低
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
随着微粒的粒径减小，微粒表面的光滑程度也 会相应变差，由此形成更多的凹凸不平的原子 台阶，可以增加化学反应的接触面，这是提高 催化作用的必要条件。
上海浦东88层金 贸大厦，用玻璃 幕墙饰面的世界 第三高楼，高达 420.5m。10余位 大厦外墙清洁工 用钢缆吊在高空 洗刷大厦的外墙， 终年在此打扫 （当他们从顶层 打扫到底层时， 顶层的外墙又已 经需要清扫了）。
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
纳米材料综述功能材料与应用论文(已处理)
纳米材料综述功能材料与应用论文（已处理）纳米材料综述摘要概述了纳米材料的基本概念、分类方法及结构特征, 重点介绍了纳米材料的光谱、催化、光电化学及反应性等化学特性及应用.1、纳米材料的基本概念纳米材料是指颗粒尺寸为纳米量级 0.11 nm, 100nm 的超微粒子纳米微粒及由其聚集而构成的纳米固体材料。
纳米固体材料分为纳米晶体材料、纳米非晶态材料及纳米准晶态材料。
其中纳米晶体材料按其结构形态又可分为四类:1 零维纳米晶体, 即纳米尺寸超微粒子;2 一维纳米晶体, 即在一维方向上晶粒尺寸为纳米量级, 如一维纤维, 一维碳纳米管;3 二维纳米晶体, 即在二维方向上晶粒尺寸为纳米量级, 如纳米薄膜、涂层;4 三维纳米晶体, 指晶粒在三维方向上均为纳米尺度, 如纳米体相材料, 纳米陶瓷材料。
另外, 还有纳米复合材料, 以复合方式不同分为0-0、0-2、0-3 型复合, 即零维纳米粒子分别与纳米粒子、二维及三维材料复合而成的固体材料。
纳米材料科学是现代化学、物理学、材料学、生物学等多门学科相互交叉、相互渗透的新兴学科, 其研究内容主要包括两个方面:1 系统地研究纳米材料的性能、微结构和谱学特性,通过和常规材料对比, 找出纳米材料的特殊规律, 建立描述和表征纳米材料的新概念和新理论, 发展完善纳米材料科学体系;2 探索新的制备方法, 发展新型的纳米材料, 研究制备工艺与材料结构、性能之间的关系规律, 并拓宽其应用领域。
2、纳米材料的性质2.1、纳米微粒的结构和特性纳米粒子处于原子簇和宏观物体交界的过渡区域，是由数目很少的原子或分子组成的聚集体。
由于纳米粒子具有壳层结构。
粒子的表面原子占很大比例，并且是无序的类气状结构, 而在粒子内部则存在有序-无序结构，这与体相样品的完全长程有序结构不同。
纳米粒子的结构特征使其产生了小尺寸效应、表面界面效应、量子尺寸效应及宏观量子隧道效应，并由此派生出传统固体材料所不具备的许多特殊性质。
纳米材料综述范文
纳米材料综述范文纳米材料是自上世纪90年代以来兴起的一项新兴科技，其具有独特的物理、化学和生物性能，因此受到了广泛的关注和研究。
本文将综述纳米材料的定义、制备方法、应用领域以及潜在的风险和挑战。
首先，纳米材料是指至少在一个维度上具有纳米级尺寸（1-100纳米）的材料。
由于其尺寸处于微观和宏观之间，纳米材料往往具有与传统材料不同的物理和化学性质。
例如，纳米颗粒表面积大大增加，导致其在催化、光学和磁性等方面具有更高的活性和敏感性。
此外，纳米材料还具有较高的比表面积和功率密度，使其在能源存储、传感器和生物医学等领域有着广泛的应用前景。
纳米材料的制备方法多种多样，但可以分为两大类：自下而上和自上而下。
自下而上方法是通过控制和组装分子、原子或离子来构建纳米结构。
例如，溶液法、气相沉积和电化学沉积等方法可以制备出纳米颗粒、纳米薄膜和纳米线等结构。
自上而下方法则是通过纳米加工工艺将材料从大尺寸逐渐减小到纳米级。
常见的自上而下方法包括球磨、机械研磨和激光刻蚀等。
纳米材料具有广泛的应用领域，包括能源、环境、生物医学、电子等。
在能源领域，纳米材料被广泛应用于太阳能电池、燃料电池和储能材料中。
纳米材料的高比表面积可以提高电池的能量密度和效率。
在环境领域，纳米材料可以用于水处理、污染物检测和空气净化等方面。
例如，纳米颗粒可以作为催化剂用于有害气体的催化转化和光催化分解。
在生物医学领域，纳米材料可以用于药物输送、分子成像和组织修复等方面。
纳米颗粒可以通过控制其大小和表面修饰来实现药物的靶向输送和释放。
在电子领域，纳米材料可以用于制备纳米电子元件和纳米传感器等。
纳米材料的尺寸效应和表面效应使其在电子器件的性能和灵敏度方面具有巨大的优势。
然而，纳米材料的应用也面临着一些潜在的风险和挑战。
首先，纳米材料的生产和处理过程中可能释放出有害物质，并对环境和人体健康造成潜在风险。
此外，由于纳米材料的小尺寸和特殊性质，其对生物体的毒性和生物互作性尚不完全了解。
纳米材料的性质和应用
纳米材料的性质和应用在当今的科技发展中，纳米材料起到了越来越重要的作用。
纳米材料指的是尺寸在1-100纳米之间的材料，由于其独特的物理、化学、生物性质，纳米材料已经成为材料科学领域中的研究热点，并在多个领域展现了广泛的应用前景。
本文将会介绍纳米材料的性质和应用。
一、纳米材料的性质1.1 尺寸效应与大尺寸的材料相比，纳米材料拥有独特的尺寸效应。
在纳米材料中，相对于大尺寸材料，电量子尺寸效应、表面效应以及量子点效应等加强，这使得纳米材料在电子与光学等性能方面呈现出独特且出色的表现。
1.2 比表面积相同质量的纳米材料，其比表面积远大于大尺寸材料。
这是因为纳米材料的表面积与体积比远大于大尺寸材料，这种高比表面积使得纳米材料在吸附、反应、催化等方面具有更高的活性，具备更强的活性表面。
1.3 催化性质纳米材料由于具有较高的比表面积和尺寸大小效应，因而在催化反应中展现出了优异的催化性质。
纳米金属催化剂普遍具有较高的活性和选择性，可被应用于氧化还原反应、氢化反应等多个领域。
1.4 原子结构微观结构上，纳米材料由于晶粒尺寸小于传统材料晶体中晶粒尺寸的平均距离，因而在晶体结构和晶格纵横比等方面也表现出与大尺寸材料显著不同的情况。
二、纳米材料的应用2.1 纳米材料在催化领域的应用纳米材料因其独特的催化性质，在催化领域中展现了广泛的应用前景。
例如，氧化铁纳米颗粒是市场应用较广泛的催化剂之一。
鉴于纳米铁颗粒活性高，对有机物的还原作用也得到了广泛应用。
此外，纳米催化剂在车用领域中得到广泛应用，节约了能源。
2.2 纳米材料在生物医学中的应用纳米材料的性质控制能力、可定制性将其应用范围扩大到医学领域。
由于纳米材料具有高比表面积，可改善材料与细胞之间的接触面积和其它物理-化学相互作用。
其在生物医学中的应用包括：基因治疗、肿瘤治疗、药物输送和生物成像等。
2.3 纳米材料在能源领域的应用纳米材料也被广泛应用于能源领域，例如纳米结构材料的光电特性，可以用于太阳能电池，而纳米材料也可用于如锂离子电池等的电储能设备中。
纳米材料的基本概念与性质
纳米材料的基本概念与性质纳米材料是指在尺寸范围为纳米级别的材料，即其尺寸在1到100纳米之间。
相对于常规材料，纳米材料具有特殊的性质和特点，这主要源于其尺寸效应、表面效应和量子效应等纳米尺度效应的影响。
下面将详细介绍纳米材料的基本概念和性质。
首先，纳米材料具有尺寸效应。
当材料的尺寸处于纳米级别时，与常规材料相比，纳米材料的许多物理、化学和力学性质都会有显著改变。
例如，金属纳米颗粒的熔点和磁性会发生变化，纳米薄膜表面的扩散速率会增大，高填充纳米孔隙材料的机械强度也会增加。
这些尺寸效应的改变使得纳米材料在电子、光学、催化等领域具有广泛的应用潜力。
其次，纳米材料表面效应对其性质也产生了重要影响。
相对于体积物质，纳米材料拥有更大的表面积，这意味着纳米颗粒或纳米薄膜的许多原子都处于表面状态。
表面效应的存在改变了纳米材料的电子结构、晶粒尺寸和化学反应活性等性质。
由于表面活性的提高，纳米材料能更好地催化反应、吸附和储存气体、改善电池材料性能等。
另外，量子效应也是纳米材料的重要特点之一、当纳米材料的尺寸缩小到纳米级别时，其原子和分子的量子效应开始显现。
量子效应使得纳米材料的光学、电子和磁性能等性质有显著变化。
例如，纳米发光材料的荧光强度和波长会受到量子尺寸限制的影响，纳米晶体管中的载流子行为也会发生量子限制的变化。
因此，纳米材料的量子效应使得其在量子计算、纳米电子学和纳米光学等领域具有独特的应用优势。
除了尺寸、表面和量子效应之外，纳米材料还具有其他特殊性质。
例如，纳米颗粒的表面增强拉曼散射效应可用于快速检测和分析微量物质的存在；纳米结构的多孔性使其具有大的比表面积和高的吸附能力，有利于储能、催化和环境修复等应用；一些金属纳米材料具有独特的光学性质，如银纳米颗粒的表面等离子体共振现象，可用于增强光子学器件的性能。
总之，纳米材料是在纳米尺度下制备和应用的材料，其独特的性质和特点使其在诸多领域具有广泛应用的潜力。
纳米材料的尺寸效应、表面效应、量子效应以及其他特殊性质使其成为材料科学和工程领域中的研究热点，并在电子、光学、催化、生物医学和环境等领域得到广泛应用。
第二章-纳米及其基本性质
3
2.1 维数
0维： 指在空间3维尺度均在纳米尺度
1维：指在空间有2维处于纳米尺度
2维：指在空间中有1维在纳米尺度
3维：纳米固体，由纳米微粒组成的体相材料
A
B
C
4
2.1 维数 0维： 指在空间3维尺度均在纳米尺度
1985年，科尔、科罗脱和斯麦利发现了C60 团簇，也叫巴基球，C60直径大约是1纳米。 5
第二章 纳米材料及其 基本性质
1
第一节 纳米材料
一、纳米材料学 关于纳米材料的性质、合成、结构及其变化规
律和 应用的一门学科。
纳米粉体材料及其衍生材料的工艺技术路线
结构与性能的关系
基础应用等
2
二、纳米材料
三维空间中至少有一维尺寸小于100 nm的材 料或
由它们作为基本单元构成的具有特殊功能的材 料。
金纳米微粒的粒径与熔点的关系
33
物质熔点下降的程度： T 2 slT0 rH
△T：块状物质熔点(T0)与纳米颗粒熔点(T)之差；
γSL ：为固液界面张力；
ρ：密度；△H为熔化热；r为颗粒粒径。
纳米颗粒熔点下降的原因： 熔化时所需增加的内能小得多，这使得纳米颗粒 熔点急剧下降。
34
2、纳米颗粒的蒸汽压 上升
被电子占满的允许带称为满带，每一个能 级上都没有电子的能带称为空带
54
价带（Valence Band）：原子中最外层的电 子称为价电子，与价电带。 导带（Conduction Band）：价带以上能量 最低的允许带称为导带。 导带的底能级表示为Ec，价带的顶能级表 示为Ev，Ec与Ev之间的能量间隔为禁带Eg
纳米材料的基本概念与性质
从原子到宏观块体材料的演变
团簇是由几个至几百个原子、分子或离子通过物理或化学结 合力形成的相对稳定的聚集体。通常尺寸不超过1nm。
例如，Fen, CunSm, C60, C70等。团簇的物理和化学性质随所 含原子数目而变化，其许多性质既不同于单个原子、分子，又 不同于固体和液体，是介于原子、分子与宏观固体之间的物质 结构的新层次，有时被称为物质的“第五态”。 原子团簇不同于具有特定大小和形状的分子，不同于分子间 以弱的相互作用结合而成的聚集体以及周期性很强的晶体。其形 状可以是多种多样的，已知的有球状、骨架状、洋葱状、管状、 层状、线状等。除惰性气体外，均是以化学键紧密结合的聚集体。
不含碳富勒烯：
1991年以色列魏茨曼研究所R.Tenne首次合成出 二硫化钨笼形管状分子（右图）。
由二硫化钨分子层形成 的不含碳富勒烯
纳米粒子（纳米颗粒、纳米微粒、超微粒子、纳米粉）：
一般指颗粒尺寸在1－100nm之间的粒状物质。它的尺度大于原 子簇，小于通常的微粉。早期称作超微粒子。 纳米颗粒是肉眼和一般的光学显微镜看不见的微小粒子。名古 屋大学的上田良二（R.Uyeda）给纳米颗粒的定义是：用电子显微 镜才能看到的颗粒称为纳米颗粒。 纳米颗粒所含原子数范围在103－107个（1－100nm）。其比表面 比块体材料大得多，加之所含原子数很少，通常具有量子效应、小 尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应，因而展现出许多特异的 性质。
Si
电子能量
导带
3P 3S
价带
晶格间距
使孤立的硅原子彼此接近形成 金刚石结构晶体时形成能带
EF
硅能带中成键态与价带及反键态与导带之间的对应
原子间的相互作用导致能级发生分裂，形成能带结构。 当形成固体的原子数 n 非常大时，实际上形成了准连续 的能带。
第2节 纳米材料的性质
纳米材料的特殊性质
由于纳米粒子有极高的表面能和 扩散率，粒子间能充分接近，从 而范德华力得以充分发挥，使纳 米粒子之间、纳米粒子与其它粒 子之间的相互作用异常强烈。从 而使纳米材料具有一系列的特殊 的光、电、热、力学性能和吸附、 催化、烧结等性能。
1.光学性能 2.磁学性能 3.催化性能 4.增强增韧性 5.储氢性能 6.润滑性能
第二节. 纳米材料的性质
※ 纳米材料的基本效应 ※ 纳米材料的特殊性质
纳米材料的基本效应
当物质尺寸度小到一定程度时，则必须 改用量子力学取代传统力学的观点来描 述它的行为，当粉末粒子尺寸由10微米 降至10纳米时，其粒径虽改变为1000 倍，但换算成体积时则将有109倍之巨， 所以二者行为上将产生明显的差异。当 小颗粒进入纳米级时，其本身和由它构 成的纳米固体主要有如下四个方面的效 应。
1.小尺寸效应 2. 表面效应 3.量子尺寸效应
4.宏观量子隧道效应
1.小尺寸效应
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。 ☆小尺寸效应的表现首先是纳米微粒的 熔点发生改变 .
例如:半导体CdS 1.5nm 熔点低于600 K。
纳米金粒径 20nm、5nm、4nm、2nm
2.表面效应
表面效应是指纳米微粒的表面原子
数与总原子数之比随着纳米微粒尺寸 的减小而大幅度增加，粒子表面结合 能随之增加，从而引起纳米微粒性质 变化的现象。
表 面 原 子 数 相 对 总 原 子 数
100 80
比 例 60 （ 40 ） 20
0 0 10 20
纳米微粒尺寸
粒径 比表面积
利用纳米材料的这一特性可制得具有高的催化活性和产物选择 性的催化剂。 纳米材料的许多物性主要是由表面决定的。 纳米材料具有非常高的扩散系数。
纳米材料的基本概念和性质汇总
应用：
含有20％超微钻颗粒的金属陶瓷是火箭喷气口的耐 高温材料。 金属铝中含进少量的陶瓷超微颗粒，可制成重量轻、 强度高、韧性好、耐热性强的新型结构材料。
超微颗粒亦有可能作为渐变（梯度）功能材料的原 材料。例如，材料的耐高温表面为陶瓷，与冷却系统 相接触的一面为导热性好的金属，其间为陶瓷与金属 的复合体，使其间连续地发生变化，这种材料可用于 温差达1000℃的航天飞机隔热材料。
高表面活性的利用：
表面吸附储氢 制备高效催化剂 实现低熔点材料
3、量子尺寸效应
纳米材料中电子能级分布显著地不同于大块晶体材料中的 电子能级分布。在大块晶体中，电子能级准连续分布，形成 一个个晶体能带。金属晶体中电子未填满整个导带，在热扰 动下，金属晶体中的电子可以在导带各能级中较自由的运动， 所以金属晶体表现出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。当离散的能级间距大于热能、 静电能、静磁能、光子能量或超导态的凝聚能时，将导致金 属纳米微粒的热、电、磁、光以及超导性与宏观物体有显著 的不同，呈现出一系列反常的特性，此即为金属纳米微粒的 量子尺寸效应。
定义：几个至几千个原子或离子通过物理或 化学力结合，组成相对稳定的微观或亚微观 聚集体，其物理和化学性质随所含的原子数 目而变化的聚集体，简称团簇。
原子团簇的形状可以是多种多样的，它们尚 未形成规整的晶体。 绝大多数原子团簇的结构不清楚，已知有线 状、层状、管状、球状等等。
团簇的研究是多学科的交叉
导电率是铜的1万倍
强度是钢的100倍而重量只有钢的七分之一
第二章 纳米材料的特性
小尺寸的超微颗粒磁性与大块材料显著的不同， 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 安 寸减小到 2×10-2微米以下时，其矫顽力可增加 × 微米以下时， 1千倍，若进一步减小其尺寸，大约小于 6×10千倍， 千倍 若进一步减小其尺寸， × 3微米时，其矫顽力反而降低到零，呈现出超 微米时，其矫顽力反而降低到零， 顺磁性。 顺磁性。 利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性， 利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性，已作 成高贮存密度的磁记录磁粉，大量应用于磁带、 成高贮存密度的磁记录磁粉，大量应用于磁带、 磁盘、磁卡以及磁性钥匙等。利用超顺磁性， 磁盘、磁卡以及磁性钥匙等。利用超顺磁性， 人们已将磁性超微颗粒制成用途广泛的磁性液 体。
特殊的磁学特性
纳米微粒的小尺寸效应、 纳米微粒的小尺寸效应、使其具有常规粗晶材 料不具备的磁特性。 料不具备的磁特性。 主要表现为：超顺磁性、矫顽力、 主要表现为：超顺磁性、矫顽力、居里温度和 磁化率。 磁化率。 人们发现鸽子、海豚、蝴蝶、 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 使这类生物在地磁场导航下能辨别方向， 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。 具有回归的本领。 磁性超微颗粒实质上是一个生物磁罗盘， 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。 在水中的趋磁细菌依靠它游向营养丰富的水底。 通过电子显微镜的研究表明， 通过电子显微镜的研究表明，在趋磁细菌体内 通常含有直径约为 2×10-2微米的磁性氧化物颗 粒。
电子的弹性散射平均 自由程λ 自由程λ与体系尺度相 比甚小， 比甚小，电子在无序 分布的杂质散射， 分布的杂质散射，其 路径为无规行走。 路径为无规行走。 电子平均自由程与体 系的尺度相当， 系的尺度相当，进入 弹道输运区， 弹道输运区，限制电 流大小的是样品的边 界散射， 界散射，杂质散射可 忽略。 忽略。 每种材料具有特定的电导。导线的电导与其长度成反比。 每种材料具有特定的电导。导线的电导与其长度成反比。 但另一方面，当导线的长度减小到电子的平均自由程， 但另一方面，当导线的长度减小到电子的平均自由程，电 子的输运性质由扩散式变为弹道式(Ballistic transport)。 子的输运性质由扩散式变为弹道式 。
纳米材料的性质
纳米材料的性质
纳米材料是一种具有特殊性质和应用潜力的材料，其尺寸在纳米尺度范围内。
纳米材料的性质主要包括物理性质、化学性质和生物性质。
首先，纳米材料的物理性质表现出了许多独特的特点。
由于其尺寸处于纳米尺度，纳米材料表面积大大增加，使得其表面活性增强，从而呈现出了特殊的光学、电学、磁学等性质。
比如，纳米颗粒的光学性质会随着颗粒尺寸的改变而发生变化，纳米材料的电学性质也表现出了优异的导电性和介电性。
此外，纳米材料的热学性质也呈现出了独特的特点，如纳米材料的热导率和热膨胀系数都与其尺寸密切相关。
其次，纳米材料的化学性质也具有特殊的表现。
纳米材料的化学反应活性高，
表面原子数增加，使得其化学反应速率加快，从而表现出了特殊的催化性能。
此外，纳米材料的表面能和晶界能也随着尺寸的减小而增加，使得其在催化、吸附等方面具有独特的应用潜力。
同时，纳米材料的表面修饰和功能化也成为了当前研究的热点，使得纳米材料在生物医学、环境保护等领域得到了广泛的应用。
最后，纳米材料的生物性质也备受关注。
纳米材料的尺寸与生物体内的生物大
分子尺寸相近，使得其在生物医学领域具有独特的应用前景。
纳米材料可以被用于生物成像、药物传输、生物传感等方面，其生物相容性和生物毒性也成为了当前研究的重点。
总的来说，纳米材料的性质包括物理性质、化学性质和生物性质，其独特性使
得其在材料科学、化学、生物医学等领域具有广泛的应用前景。
然而，纳米材料的安全性和环境影响也需要引起足够的重视，加强对纳米材料的研究和监管，以确保其可持续发展和安全应用。
纳米材料基本概念与性质
纳米薄膜与纳米涂层
这种薄膜具有纳米结构的特殊性质，目前可 以分为两类： （1）含有纳米颗粒和原子团簇的薄膜—基质 薄膜； （2）纳米尺度厚度的薄膜，其厚度接近电子 自由程。 纳米厚度的信息存储薄膜具有超高密度功能， 用它制作的集成器件具有惊人的信息处理能力；
纳米固体材料
纳米固体是由纳米尺度水平的晶界、相界或位错等缺陷的核 中的原子排列来获得具有新原子结构或微结构性质的固体。 简单的说，具有纳米特征结构的固体材料称为纳米固体材料。 纳米固体材料（nanostructured materials）的主要特征是具有巨 大的颗粒间界面，如纳米颗粒所构 成的固体每立方厘米将含1019个晶 界，原子的扩散系数要比大块材料 高1014～1016倍，从而使得纳米 材料具有高韧性。
原子团簇可分为一元原子团簇、二元原子 团簇、多元原子团簇和原子簇化合物．
一元原子团簇包括金属团簇 ( 加 Nan ， Nin
等)和非金属团簇．非金属团簇可分为碳 簇(如C60,C70等)和非碳族(如B，P，S，Si 簇等)． 二元原子团簇包括InnPm，AgnSm等。 多元原子团簇有Vn(C6H6)m等． 原子簇化合物是原子团簇与其他分子以 配位化学键结合形成的化合物
原子团簇
原子团簇是指几个或几百个原子的聚集体（直 径小于1 nm）。它是介于单个原子与固态之间 的原子集合体。 原子团簇的形状可以是多种多样的，它们尚未 形成规整的晶体
绝大多数原子团簇的结构不清楚，已知有线状、 层状、管状、洋葱状、球状和骨架状等。
当前能大量制备并分离的团簇是 C60(富勒烯) (富勒烯)
纳米颗粒 纳米颗粒是指颗粒尺度为纳米量级的超微 颗粒，它的尺度大于原子团簇，小于通常的微 粉，一般在1—100 nm之间。只能用高倍电子 显微镜能观察到，所以有人称用电子显微镜能 观察到的微粒为纳米颗粒。
纳米材料的性质
4.激子吸收带 —— 量子限域效应
激子的概念首先是由Frenkel在理论上提出来的。当入射光的 能量小于禁带宽度（ω< Eg）时，不能直接产生自由的电子和空 穴，而有可能形成未完全分离的具有一定键能的电子-空穴对， 称为激子。 作为电中性的准粒子，激子是由 电子和空穴的库仑相互吸引而形成的 束缚态。激子形成后，电子和空穴作 为一个整体在晶格中运动。激子是移 动的，它不形成空间定域态。但是由 于激子中存在键的内能，半导体-激 子体系的总能量小于半导体和导带中 的电子以及价带中的空穴体系的能 量，因此在能带模型中的激子能级位 于禁带内。
12nm
1.3mm
3、非晶纳米粒子的晶化温度低于常规粉体 例如，传统非晶氮化硅在 1793K晶化成a相，纳米非晶氮 化硅粒子在1673K加热4小时全 部转变成a相。 此外，纳米粒子在加热时开始 长大的温度随粒径的减小而降 低（见右图）。
35nm 15nm 8nm
不同原始粒径（d0）的纳米Al2O3 颗粒的粒径随退火温度的变化
纳米银
纳米银的电阻温度特性随粒径的变化
粒径20nm 晶粒度12nm
粒径18nm 晶粒度11nm
粒径11nm 晶粒度11nm
R=0.1(1+7.3x10-4T)W R=5.5(1-3.0x10-3T)W R=973.9(1-1.2x10-3T)W
上图为室温以下纳米银颗粒的电阻随温度的变化情况。随着尺寸 的不断减小，温度依赖关系发生根本性变化。当粒径为11nm时， 电阻随温度的升高而下降。 上一讲的计算表明，对于14nm以下的银颗粒来说，当T=1K以下 时，会表现为绝缘体。
块体半导体与半导体纳米晶 的能带示意图
3.吸收光谱的红移现象
有时候，当粒径减小至纳米级时，会观察到光吸收带相对粗 晶材料的“红移”现象。例如，在200－1400nm范围，块体NiO单 晶有八个吸收带，而在粒径为54－84nm的NiO材料中，有4个吸 收带发生兰移，有3个吸收带发生红移，有一个峰未出现。 引起红移的因素很多，也很复杂，归纳起来有：1）电子限 域在小体积中运动；2）粒径减小，内应力（P=2g/r，r为半径， g为表面能）增加，导致电子波函数重叠；3）存在附加能级， 如缺陷能级，使电子跃迁能级间距减小；4）外加压力使能隙 减小；5）空位、杂质的存在使平均原子间距 R 增大，导致能 级间距变小。 通常认为，红移和兰移两种因素共同发挥作用，结果视孰强 而定。随着粒径的减小，量子尺寸效应导致兰移；而颗粒内部 的内应力的增加会导致能带结构变化。电子波函数重叠加大， 结果带隙、能级间距变窄，从而引起红移。
纳米材料的性质与制备方法
纳米材料的性质与制备方法纳米材料是指粒径小于100纳米的材料。
由于其尺度效应和表面效应的作用，纳米材料具有许多独特的物理、化学、光学、磁学、生物学等性质，这些性质使其在纳米电子学、纳米机械学、纳米生物学、纳米医药学等领域具有广泛的应用前景。
因此，研究纳米材料的性质和制备方法对于纳米科学和纳米技术的发展具有重要的意义。
本文将对纳米材料的性质和制备方法进行综述。
一、纳米材料的性质纳米材料具有以下几种独特的性质：1.尺寸效应纳米材料的尺寸通常小于传统材料的晶粒尺寸，因此，其物理和化学性质不同于宏观材料。
例如，金属纳米材料的熔点和热膨胀系数随粒子尺寸的减小而降低，表面电荷密度增加，导致了纳米材料的很多特性，如量子效应，非线性光学效应等。
2.表面效应纳米材料的表面积与其体积之比相对于大尺寸的晶体更大，表面吸附、表面能、界面反应等表面效应对纳米材料的性质影响更加显著。
例如，表面形态、表面能、表面反应活性、表面电子结构、表面势能的变化对于金属、氧化物、生物分子及有机分子的化学反应、催化、生物活性、传感等方面的影响非常显著。
3.量子效应量子效应是指在粒径小于波长尺寸时，材料的特殊物理性质。
纳米粒子由于能量量子化和波粒二象性而具有量子尺寸效应。
这种效应在光电材料、催化、化学传感、生物医药及信息存储等领域得到广泛应用。
4.热力学稳定性的变化纳米材料由于其比表面积大，表面能高，原子间距小，形成的热力学稳定性与宏观材料不同。
热稳定性的改变会引起相变、热膨胀系数变化、熔点降低、热导率变化等性质的改变，同时也会对材料的生成、像饱和溶解度、溶解动力学等方面的性质改变有影响。
二、纳米材料的制备方法1.物理法制备纳米材料的制备方法主要可以分为物理法、化学法、生物法和绿色制备法等。
其中，物理法是根据物理原理制备纳米材料。
通常采用机械法、光化学法、溅射法、脉冲激光方法等物理方法。
2.化学法制备化学法制备纳米材料是通过将一些化学试剂在特定条件下进入实验室环境中形成纳米颗粒或通过化学反应生成的溶胶胶体进行生长成固体。
纳米材料知识点总结
纳米材料知识点总结第一章：纳米材料的概念纳米材料是指在纳米尺度下制备或具有特定尺寸、结构、形貌和表面性质的材料，通常是指至少在一个维度上尺寸在1-100纳米之间的材料。
纳米材料因其独特的尺寸效应、表面效应和量子效应而表现出与传统材料不同的特性，因此在材料科学领域具有重要的研究和应用价值。
第二章：纳米材料的制备方法1. 物理法：包括溅射法、热蒸发法、溶液淀积法等，主要通过能量的传递和物质的转移来制备纳米材料，制备过程不易受到污染，可以得到高纯度的纳米材料。
2. 化学法：包括溶胶-凝胶法、水热法、溶剂热法等，主要通过溶液中的化学反应来制备纳米材料，制备过程相对简单，可以控制材料的尺寸和形貌。
3. 生物法：包括微生物法、植物法等，主要通过生物体内的生物合成过程来制备纳米材料，制备过程环保、资源可再生并且对材料的结构和性能有一定的控制性。
第三章：纳米材料的性质1. 尺寸效应：纳米材料的尺寸与其性能之间存在着显著的相关性，纳米材料由于其尺寸的特殊性，表现出许多传统材料所不具备的新颖性能，如光电性能、磁性能、机械性能等。
2. 表面效应：纳米材料由于其表面积较大，表面原子数量较少，因此表现出与传统材料不同的表面性能，如表面能增加、化学反应活性提高等。
3. 量子效应：纳米材料中的电子、光子等粒子因为其尺寸与材料能级之间的相互作用而呈现出量子效应，例如量子尺寸效应、量子限域效应等，在光电器件和量子点材料等领域有广泛应用。
第四章：纳米材料的应用1. 纳米材料在电子器件中的应用：纳米材料在电子器件领域中具有诸多优势，如在导电性、场发射性、存储性等方面的突出表现。
目前已经有纳米材料应用于场发射显示器、磁性存储器、无机发光二极管等领域。
2. 纳米材料在能源领域中的应用：纳米材料在能源领域中具有广阔的应用前景，如在太阳能电池、锂离子电池、超级电容器等领域已经得到了应用。
3. 纳米材料在生物医学领域中的应用：纳米材料在生物医学领域中可以应用于药物传输、诊断影像、生物标记和生物传感等方面，具有广阔的发展前景。
2-1 纳米材料及基本性质
• /home.php?mod=space&uid=39356&do=blog&id= 485963 微纳米艺术之微纳米地图（配图.科普）
• 纳米科技是高度交叉的综合性学科，包括物 理、化学、生物学、材料科学和电子学。它 不仅包含以观测、分析和研究为主线的基础 学科，同时还有以纳米工程与加工为主线的 技术科学，所以纳米科学与技术也是一个融 科学前沿和高技术于一体的完整体系。
• 人工纳米结构组装体系
• 所谓人工纳米结构组装体系，按人类的意志，利用物 理和化学的方法人为地将纳米尺度的物质单元组装、 排列构成一维、二维、三维的纳米结构体系，包括纳 米有序阵列体系和介孔复合体系等。
• 这里人的设计和参与制造起到决定性的作用，就好像 人们用自己制造的部件装配成非生命的实体（例如， 机器、飞机、汽车、人造卫星等）一样，人们同样可 以形成具有各种对称性的和周期性的固体，人们也可 以利用物理和化学的办法生长各种各样的超晶格和量 子线。
C60及其他富勒烯
• C60的发现——1985年美国Smalley教授和英国kroto 等在Rice大学的实验室，采用激光轰击石墨靶， 并用苯来收集碳团簇，用质谱仪分析发现高丰度 的C60。
C60由32个面构成，其 中20个六边形，12个五边 形，C60 的直径为0.7nm。 构成碳团簇的原子数为 20、24、28、32、36、50、 60和70具有高的稳定性， 其中又以C60最稳。
4 纳米棒、纳米线
一般将纵横比（长度与直径的比率）小于20的 称为纳米棒，纵横比大于20的称作纳米丝。至今， 关于纳米棒与纳米丝之间并没有一个统一的标准。 此外，半导体和金属纳米线通常称为量子线．
CdS纳米棒
金纳米棒 银纳米线
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2.2 纳米粉体的物化特性
1.热性能：纳米微粒的熔点、开始烧结温度和晶 化温度均比常规粉体低得多。
熔点下降
2T T LD
T和L为大块颗粒的熔点和熔化热，为表面张力
蒸汽压上升
P 2 M ln P RTD c
烧结温度：指把粉末先用高压压制成型，然后在低于 熔点的温度下使这些粉末互相结合成块，密度接近常 规材料的最低加热温度。
量子尺寸效应 当微粒尺寸进入纳米领域时， 电子运动受到束缚致使微粒的电子的能级结构 发生改变（通常是能级间距增大）而引起物性 的变化。类似的提法还有量子效应、量子限域 效应、量子尺寸限制等。
固体能带理论指出，传导电子在晶体的周期性势场 中运动时不再属于单个原子，而是属于整个晶体， 这种公有化的结果使电子在材料中的能量状态变成 准连续的能带，即相邻能级之间的能量差远小于热 起伏能（kBT),统计力学得到大块材料的比热与温度 呈线性关系 对于有限尺寸的固体颗粒，电子的能量状态将如何 改变呢？
结构粉体材料的熔点下降，蒸汽压上升 ，如2nm金熔点600K，大块1337K 磁性材料当颗粒尺寸为单磁畴临界尺寸 时，具有很高的矫顽力，利用其强磁性 可制成信用卡、钥匙、车票等
库仑阻塞效应是纳米材料具有尺寸效应的又一 实例 将一个电子注入一个纳米粒子或纳米线等称之 为库仑岛的小体系时，该库仑岛的静电能将发 生变化，变化量与一个电子的库仑能大体相当， 即 Ec=e2/(2C) ，其中 e 为电子的电量， C 为库 仑岛的电容。体系越小，C越小，当C足够小时， 只要注入一个电子，它给库仑岛附加的充电能 Ec>kBT，从而阻止第二个电子进入该岛，这就 是库仑阻塞效应。
通常纳米微粒在 低温下才容易呈 现量子尺寸效应
小尺寸效应 当微粒尺寸进入纳米领域 时，其尺寸与光波波长、德布罗意波长 以及超导态的相干长度、单磁畴尺寸等 物理特征尺寸相当或更小(某一临界尺寸 )，晶格点阵周期性的边界条件将被破坏 ，微粒将处于一种不稳定的状态，从而 引起物性的发生明显的变化或突变。
库仑阻塞效应造成了电子的单个传输，是单电 子晶体管、共振隧穿二极管和晶体管的基础。
表面效应（界面效应） 当微粒尺寸进入纳米领域时， 微粒比表面积（表面积与其质量的比）急剧增加，使处 于表面的原子数增多，如此多的表面原子一般处于一种 近邻缺位的状态，使得微粒的表面能增大，微粒活性增 强。
纳米粉体表面效应的宏观表现，如金属纳米粒 子在空气中燃烧，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。 表面或界面效应使纳米材料具有很高的扩散速 率。对于多晶物质，扩散可沿自由表面、晶界 和晶格三种形式进行，其中沿表面的扩散系数 最大。对先进陶瓷、粉末冶金、特种合金等材 料非常重要。
纳米微粒尺寸小，表面能高，压制成块后的界面具有 高能量，在烧结中高的界面能成为原子运动的驱动力， 有利于界面中的孔洞收缩，因此在较低的温度下烧结 就能达到致密化的目的，即烧结温度降低。
明显的烧结活性，常规氧化铝粉， 2073-2173K，纳 米， 1423-1773K，致密度可达 99.7% ；传统氮化硅 Si3N4，1793K晶化成稳定的相，纳米，1673K
宏观量子隧道效应
微观粒子（电子）具有进入和穿透势垒的能力，称之为隧道效 应 微颗粒的宏观物理量如磁化强度、磁通量等，在纳米尺度时将 会受到微观机制的影响，微观的量子隧道效应在宏观物理量中 表现出来称之为宏观量子隧道效应。 它限定了磁带、磁盘进行信息存储的时间极限，将会是未来微 电子器件的基础，它确立了微电子器件进一步微型化的极限。 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约在0.25微米。
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。 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的现象以 及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 隙变宽现象均称为量子尺寸效应。
Hale Waihona Puke 2.磁性能：由于纳米微粒的小尺寸效应、量子尺寸效 应、表面效应等使得它具有常规粗晶材料不具备的 磁特性。主要表现为： 超顺磁性：当纳米微粒尺寸小到一定临界值时进入超 顺磁状态，即矫顽力Hc 0, 如 原因：在小尺寸下，当 各向异性能减小到与热 运动能可相比拟时，磁 化方向就不再固定在一 个易磁化方向，易磁化 方向作无规律的变化， 结果导致超顺磁性的出 现。不同种类的纳米磁 性微粒显现超顺磁的临 界尺寸是不相同的。
第二章 纳米材料的基本性质
基本效应 物化特性 应用实例
2.1 纳米微粒的基本效应
粉体的粒度 ( 即颗粒尺寸 ) 会对其物理、化学 特性起者关键性的影响。 纳米粒子只包含有限数目的晶胞，不再具有 周期性的条件，其表面振动模式占有较大比 重，表面原子的热运动比内部原子激烈，因 而表面原子能量一般为内部原子能量值的 1.5-2倍，德拜特征温度随粒径减小而下降。 另外由于粒径减小，微粒内部的电子运动受 到束缚导致电子能级结构与大块固体不同。 具体呈现出四个方面的效应，并由此派生出 传统粉体材料不具备的许多特殊性质
由公式，随着d值下降，W增加。所以低温下热涨落很难改变超微 颗粒的电中性。
W kBT
当微粒的能隙大于电子的平均动能kBT时，热运动不能使电子跃过 能隙，电子的状态受到限制，即表现出量子效应。
当分立的能级间距大于热能，静磁能，静电能， 光子能量等，微粒将呈现量子尺寸效应，如微 粒的比热与温度将不再呈线性关系，而出现非 线性的指数关系，导体变绝缘体等
久保(Kubo)理论公式 1.相邻电子能级间隙
4 EF 1 1 V 3 3N d
EF费密能，金属为几个电子伏特，随温度变化极小，N颗粒内总电子数
2.超微颗粒电中性假设
Kubo认为，对于一个超微颗粒，取走或移入一个电子都是十分困难 的。他提出了一个著名公式：
e2 W k BT d