第三章 纳米颗粒的物理特性.

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
超顺磁性的出观。不同种类的纳米磁性微粒显
现超顺磁性的临界尺寸是不同的。
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磁学性能
矫顽力 纳米微粒尺寸高于超顺磁临界尺寸时通常 至现高的矫顽力 Hc 。对于纳米微粒具有高矫 顽力的起源有两种解释： （1）一致转动模式（2）球链反转磁化模式 一致转动磁化模式基本内容是：当粒子尺 寸小到某一尺寸时．每个粒子就是一个单磁畴， 例如Fe和Fe3O4单磁畴的临界尺寸分别为 12nm 和40nm。
正，他认为颗粒表面氧比层可能起着类似 缺陷的作用。从而定性地解释某些实验事 实。
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பைடு நூலகம்
磁学性能
居里温度 居里温度了Tc为物质磁性的重要参数，通常 与交换积分Je成正比，并与原子构型和间距有 关。对于薄膜，理论与实验研究表明，随着铁 磁薄膜厚度的减小．居里温度下降。对于纳米 微粒，由于小尺寸效应和表面效应而导致纳米 粒子的磁性变化，因此具右较低的居里温度。 实验证明，随粒径的下降，纳米微粒的居里温 度有所下降。
K n (n j ) / nj3
j 1 n
（3-3）
Ln
1 1 ( n 1) j ( n 1) 2 2

j 1
[n (2 j 1)] /[n(2 j 1)3 ]（3-4）
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磁学性能
式中：n为球链中的颗粒数，
为颗粒磁矩，
d为颗粒间距。
Ohshiner 引入缺陷对球链模型进行修
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光学性能
宽频带强吸收 大块金属具有不同颜色的光泽，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， 而当尺寸减小到纳米级时各种金屑纳米微粒几乎都 呈黑色，它们对可见光的反射率极低，例如铂金纳 米粒子的反射率为l%，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。 纳米氮化硅、SiC及A12O3粉对红外有一个宽频带 强吸收谱。这是由于纳米粒子大的比表面导致了平 均配位数下降， 不饱和键和悬键增多。
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磁学性能
每个单滋畴的纳米微粒实际上成为一个永久磁铁， 要使这个磁铁去掉磁性，必须使每个粒子整体的 磁矩反转，这需要很大的反向磁场，即超顺磁状 态的纳米微粒具有较高的矫顽力。 球链反转磁化模式：由于静磁作用球形纳米 微粒形成链状，对于由球形粒子构成的链的情况， 矫顽力 Hcn (6Kn 4Ln ) / d 3 （3-2）
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磁学性能
磁化率 纳米微粒的磁性与所含的总电子数的奇 偶性密切相关。每个微粒的电子可以看成一 个体系，电子数的宇称可为奇或偶。一价金 属的微粉，一半粒子的宇称为奇，另一半为 偶。两价金属的粒子的宇称为偶，电子数为 奇或偶数的粒子磁性有不同温度特点。
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光学性能
纳米粒子的一个最重要的标志是尺寸与物理 的特征量相差不多，例如，当纳米粒子的粒径与 超导相干波长、玻尔半径以及电子的德布罗意波 长相当时，小颗粒的量子尺寸效应十分显著。与 此同时，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效应对纳米微粒 的光学特性有很大的影响。甚至使纳米微粒具有 同样材质的宏观大块物体不具备的新的光学特性。 主要表现为以下几方面。
第三章 纳米微粒的 物理特性
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纳米微粒一般为球形或类球形，除了球形外， 纳米微粒还具有各种其他形状，这些形状的出 现与制备方法密切相关。 例如： • 由气相蒸发法合成的铬微粒，当铬粒子尺寸 小于 20nm时，为球形，并形成链条状连结在— 起。对于尺寸较大的粒子， -Cr 粒子的二维形 态为正方形或矩形 ； • 镁的纳米微粒呈六角条状或六角等轴形。 • Kimoto 和Nishida观察到银的纳米微粒具有五 边形10面体形状。
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热学性能
磁学性能
光学性能
纳米微粒悬浮液和动力学性质
表面活性及敏感特性 光催化性能
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热学性能
纳米微粒同常规物体相比，熔点、开始烧结温 度和晶化温度均低得多。 （1）熔点低 例： 大块 Pb 的熔点为 600K ，而 20nm球形 Pb 微 粒熔点降低288K；纳米Ag微粒在低于373K开始熔 化，常规Ag的熔点为1173K。 原因：
态，例如： -Fe ， Fe3O4 和 -Fe2O3 粒径分别为 5nm 、 16nm 和 20nm 时变成顺磁体。这时磁化率 χ 不再服从居里-外斯定律： C T Tc
（3-1）
式中：C为常数，Tc为居里温度。
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磁学性能
在超顺磁状态下，居里点附近没有明显的χ值变
化。超顺磁状态的起源可归为以下原因：由于
• • • • • 纳米微粒颗粒小； 表面能高、比表面原子数； 表面原子近邻配不全，活性大； 体积远小于大块材料； 纳米粒子熔化时所需增加的内能 小。
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热学性能
（2）烧结温度低 烧结温度：是指把粉末先用高压压制成形，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。 例： • 常规 A12O3 烧结温度在2073—2l73K，在一定条 件下纳米A12O3 ，可在1423K至1773K烧结，致密 度可达99．7％。 • 常规 Si3N4 烧结温度高于 2272K ，纳米氮化硅烧 结温度降低673-773K。
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热学性能
• 纳米TiO2在773K时加热，呈现出明显的致密 化，而晶粒仅有微小的增加，致使纳米微粒 TiO2在比大晶粒样品低873K的温度下烧结就能 达到类似的硬度。 原因： • 纳米微粒尺寸小，表面能高； • 压制成块材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，空位团的湮没，因此，在较 低温度下烧结就能达到致密化的目的，即烧结 温度降低。
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热学性能
（3）非晶纳米微粒的晶化温度低于常规 粉体 例：传统非晶氮化硅在 1793K 晶化成
相，纳米非晶氮化硅微粒在 1673K 加热
4h时全部转变成相。纳米微粒开始长大
的温度随粒径的减小而降低。
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磁学性能
1. 超顺磁性 2. 矫顽力 3. 居里温度
4. 磁化率
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磁学性能
超顺磁性
纳米微粒尺寸小到一定临界值时进入超顺磁状