纳米科技概论课件第二章2 纳米材料体系物理
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§2-2 纳米材料体系物理
纳米材料体系是指由纳米尺寸的颗粒，或由 超微粒子组成的块体，或由超微粒子在空间有序 排列成的一维、二维、三维图形组成的聚合体。 纳米材料体系物理是研究纳米尺度范围内出 现的物理现象和物理效应。 一、电子能级的不连续性 录像：为什么材料 二、量子尺寸效应 到了纳米尺度性质 会发生改变？ 三、小尺寸效应 四、表面效应 五、量子隧穿效应
纳
米
科
技
量子尺寸效应
例：纳米金（Au）微粒的导电性变化 能带理论表明，宏观尺寸的金属费米能级附近电子能 级一般是连续的。纳米微粒包含的原子数有限，久保 等人提出相邻电子能级间距和颗粒直径间的关系如图 所示，并符合下列公式：
4 EF 1 δ= ∝ 3 N V
式中，δ为能级间距；EF 为 费米能级；N为一个超微粒 的总导电电子数；V为超微 粒子体积。
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量子尺寸效应 当粒子为球形时，
1 δ∝ 3 d
即随粒子颗径的减小，能级间隔加大。当d 很大 时，δ很小，这就是宏观连续能级的情况。当d 足够小时，δ就会变大，当δ＞kBT时能级产生分 裂，使纳米微粒的磁、光、声、热、电与宏观特 性有显著的不同，导体变成了绝缘体。
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量子尺寸效应 根据2-124和2-126式有
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表面效应 由于表面原子 配位不足，纳米微 粒具有高的表面能 和高的活性，表面 原子极不稳定，很 容易与其他原子结 合。
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表面效应
假设晶粒为圆形，实心圆代 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0.3nm左右。实心圆的 原子是表面原子，它们近邻配位 不完全，“E”原子缺少一个近邻， “D”原子缺少两个近邻，“A”原 子缺少三个近邻配位原子，“A” 是极不稳定的，很容易跑到“B” 位置上，这些表面原子一遇见其 他原子会很快结合，使其稳定化， 这就是活性的原因。
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特殊的热学性能 （3）非晶体纳米微粒的晶化温度低于常规粉体 传统非晶氮化硅在1793K晶化成α相；而纳 米非晶氮化硅微粒在1673K加热4小时就全部 转变成α相了。 纳米微粒晶化开始长大温度也随粒径的减 小而降低。如：直径为35nm 、15nm和8nm的 Al2O3微粒，粒子晶化快速长大的开始温度分 别为1423K 、1273K和1073K 。
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奇特的光学效应——红移现象 但也有一些材料有“红移”现象，即吸收带 往长波方向移动。 如：NiO共有7个吸收峰，其中4个峰值发生蓝移， 但后3个反而发生了“红移”。 解释：其原因还是小尺寸时表面张力造成颗粒 内应力的结果，这种压应力导致微粒内部晶格 的变化，使能级间隙（价带与导带之间间隙） 变窄，引起了“红移”现象。
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纳米微粒的奇特磁学性能——高的矫顽力 应用：利用纳米铁磁微粒的高矫顽力，可制成磁 性信用卡、磁性钥匙、磁性车票等。 高矫顽力起源的解释： 当粒子尺寸小到某一尺度，每个粒子就是一个 单磁畴，每个单磁畴的纳米微粒实际上成为一个 永久磁铁，若要使这个磁铁去掉磁性，需要很大 的反向磁场，故而表现出极强的矫顽力； 都有为等人提出球链模型，他们采用球链反 转磁化模式来计算纳米镍微粒的矫顽力，但计 算结果大于实验值，此理论还需进一步完善。 返回
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久保理论
久保指出：金属超微粒子在费米面能级附近电子能 级产生离散现象。对小微粒的电子能态作两点假设： 简并费米液体假设 把超微粒子靠近费米面附近的电 子状态看作是受尺寸限制的简并电子气，并且它们的能 级是准量子态的不连续能级。 超微粒子呈电中性 从一个超微粒子中取走一个电子 或加进一个电子都是十分困难的，并提出公式：
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库仑阻塞效应 1987年在微型金属隧道结系统中直接观察到 了这个事实。而且可以计算一个电子隧穿进极板 间的金属粒子，会使电容附加的充电能为e2/2C， 该值远大于kBT，证实了久保理论的正确。 人们称与外界绝缘的这个金属纳米粒子为 “库仑岛”，上述实验结果为“库仑阻塞效应”。
返回
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量子尺寸效应 当粒子尺寸下降到某一值时，出现新的现象： 金属纳米微粒的费米能级附近的电子能级由 准连续变为离散； 半导体纳米微粒的满带（被占据的最高分子 轨道能级）和空带（未被占据的最低分子轨道） 之间能隙变宽。
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特殊的热学性能 （2）烧结温度变低 所谓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相互结合在 一块、密度接近常规材料的最低加热温度。 与纳米微粒熔点降低的原理类似，纳米微粒 压制后，界面蕴藏的高界面能有利于界面间空洞 的放缩。因此，在较低的温度下烧结就能达到致 密化的目的。
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电子能级的不连续性 纳米微粒的尺度很小，与电子的德布罗意波 长相当、小于相位相干长度 Lϕ ，使电子被局限于 一个体积十分狭小的空间，它的能级分布既不是 宏观固体（如金属）的准连续能带，又与微观体 系的能级分布状况不完全相同，表现为原大块金 属的准连续能级产生的离散现象。
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电子能级的不连续性
在单个原子中，电子具有的能量是不连续的；当大量原 子有规则排列而形成晶体时，相邻原子的电荷要相互影响。 内层电子由于被本身原子核牢牢地束缚着，所以所受的 影响并不显著; 价电子的轨道大小和相邻原子间的距离是相同数量级的， 所以所受的影响很显著，价电子不再分别属于各个原子，而 被整个晶体中原子所共有，这就是电子的共有化； 价电子共有化以后，原来原子中电子的能级发生变化， 原先每个原子中具有相同能量的价电子能级因原子的相互影 响而分裂成为一系列和原来能级很接近的新能级，新能级连 成一片形成能带。许多实验证明了晶体中能带的存在。
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奇特的光学效应——宽频带强吸收 应用：纳米微粒的 这一特性被用于军 事，海湾战争中美 国F117A型飞机机身 表面包覆了对红外 和微波隐身的涂料 超炭黑，实际是呈 黑色的纳米粒子， 它具有优异的宽频 带微波吸收能力。
隐形战斗机
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奇特的光学效应——宽频带强吸收 解释：这种优异性能的产生原因有二： ①纳米微粒尺寸远小于红外波长和雷达电磁 波波长，因此纳米微粒材料对这种波的透过率比 常规材料要强的多，这就大大减少了波的反射； ②纳米微粒材料比表面积比常规粗粉大3～4 个数量级，对红外的雷达波的吸收率也大大提高。
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特殊的热学性能 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。 （1）熔点变化 常规Au的熔点为 1336K 左右，当金颗 粒小于10nm时，熔点 急剧下降，当颗粒为 2nm时，373K就开始 熔化。
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特殊的热学性能 大块Pb(铅)的熔点为600K，而20nm球形Pb 微粒熔点降低到288K。 解释：这是因为纳米微粒比表面积大，表面能 高，表面原子近邻配位不全。欲使大块金属熔 化，就是要使其从固态的有序排列变为长程无 序、短程有序的液态，这个相变所需的能量远 比使纳米微粒集合变为长程无序、短程有序所 需的能量大，当然纳米微粒熔点要比常规粉体 低很多。
kB
20nm 由此得：d＜20nm。 从而我们可以知道，金元素在T=1K时，d＜20nm 就会出现量子尺寸效应。 实际情况恰恰如此，当d＜20nm时，金的确具 有很高的电阻，类似于绝缘体。
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小尺寸效应 当超微颗粒的尺寸小到与光波波长、德 布罗意波长等物理特征尺寸相当或是更小时， 就会导致声、光、电、磁、热等新的有别于 材料宏观物理、化学性质上的变化，称小尺 寸效应。 1．奇特的光学效应 2．纳米微粒的奇特磁学性能 3．特殊的热学性能
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纳米微粒的奇特磁学性能——超顺磁性 纳米微粒尺寸小到一定临界值时，进入超顺磁 状态。 例如：α-Fe，Fe3O4和α-Fe2O3在块体时都呈很强的 铁磁性，但当α-Fe颗粒直径小到5nm；Fe3O4 小到 16nm；α-Fe2O3 小到20nm时，它们都变成了超顺 磁体了。 解释：究其原因可能是在小尺寸下，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 再固定于一个易磁化方向，易磁化方向做无规则 的变化，导致纳米铁磁材料微粒呈超顺磁性。
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表面效应
表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总 原子数之比随着纳米粒子尺寸的减小而大幅度 地增加，粒子表面能及表面张力也随着增加， 从而引起纳米粒子较大块固体材料性能的变化。
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表面效应
从图中和表中看出，随着粒 径减小，表面原子比例迅速增加。 例如：微粒粒径为10nm时，比表 面积为90m2/克，微粒粒径为2nm时， 比表面积为450m2/克。
2 2 h 2kF h2 2 EF = = (3π n) 3 2m 2m
据（2-138）式
4 EF δ = 3 N
金的电子数密度n=6×1022个/cm3，得： δ = (8.7 ×10 −8 ) / d 3
kB
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量子尺寸效应 根据久保理论：当δ＞kBT，即δ/kB＞T 时就会 产生能级分裂，当T=1K时，令 δ = (8.7 ×10 −8 ) / d 3 > 1
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库仑阻塞效应 实验结果：当正负极 板之间加适当的电压 时，会有电子从负极 板隧穿到极板间的纳 米微粒上。 同时，它的静电库仑作用阻止了下一个电子从负 极板再向中间的纳米微粒隧穿。只有当中间微粒 上多余的那一个电子已经隧穿到正极板之后，下 一个负极板的电子才能从负极板隧穿到纳米微粒 上。
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表面效应
表面原子活化促使纳米金属粒子在空气中会 因与氧结合而自燃，但是金属纳米粒子也会成为 催化剂或储氢材料。然而非金属的纳米粒子在空 气中也会吸附气体，不再保持原有的性质，因此 纳米微粒不进行表面化学改性，很难添加到人们 指定的材料中去。
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奇特的光学效应——蓝移现象 与大块材料相比，纳米微粒的吸收带普遍存在 “蓝移”现象，即吸收带向短波方向移动。 图2-20为CdS（硫 化镉）溶胶微粒在不 同尺寸下的吸收谱。 在相同实验条件下， 随着颗粒尺寸的减小， 吸收带向左移（A、 B、C、D）这就是蓝 移现象。
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奇特的光学效应——蓝移现象 解释：这一现象的产生，仍然是由于小尺寸效应。 对上述半导体来说，满带与空带间能隙变大， 且能隙宽度随纳米颗粒尺寸的减小而增大，造 成了吸收频率峰值的蓝移。 纳米微粒的表面张力使微粒的晶格畸变，晶 格常数变小，第一和第二近邻层距离变短，键 长的缩短导致纳米微粒的键本征振动频率增大， 也是造成蓝移的原因。
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特殊的热学性能 纳米TiO2在773K烧结时所显现的硬度与大晶粒 在1546K烧结时的呈现的硬度相当。 纳米氮化硅的烧结温 度仅为673～773K，而 常规大颗粒Si3N4的烧结 温度高达2273K。 纳米Al2O3的烧结温度 为1423～1773K，而常 规Al2O3的烧结温度高达 2073～2173K。
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奇特的光学效应——宽频带强吸收
当黄金小到几百纳米（与金黄色光波长相当），会 失去原有的光泽而呈黑色。实际上所有的纳米金属粒 子都是黑色的，这表明这些纳米颗粒对光的反射率很 低（一般低于1%）。强吸收和低反射导致粒子变黑。 纳米Si3N4 ，SiC和Al2O3 粉对红外光有一个宽频带 强吸收谱。 ZnO、Fe2O3和TiO2等对紫外光有强吸收作用。 解释：产生这个现象的原因主要在于它们属半导体 性材料，量子尺寸效应使满带与空带间的能隙变宽， 在紫外光的照射下，电子被激发由满带向空带跃迁 需要紫外光吸收。
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纳米微粒的奇特磁学性能——高的矫顽力 纳米尺度的强磁性颗粒（铁钴合金、铁氧体 等），随着颗粒变小饱和磁化强度Ms下降，但矫顽 力却显著的增加。 由 图 看 出 ， 16nm 的 Fe微粒在温度5.5K时矫顽 力可达1.27×105A/m；就 是在室温下，矫顽力也可 达7.96×104A/m，而常规 的Fe块体的矫顽力，仅达 7.96×10A/m。
e2 k B T << W ≈ d
超微粒子的粒径d 越小，从中取走或加进一个电子克服库 仑力所需做的功W越大。
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库仑阻塞效应 相距小于100nm的正负极板组成一个电容器， 极板电容为C，在极板间放置一个尺寸为几十纳米 的金属粒子，它们彼此都是绝缘的。 宏观观点：在两极板间 所加的电压达到一定值 时，电荷会穿过壁垒而 形成电流。 量子力学观点：原则上 对于有限的势垒，隧道 电流总是存在的。
纳米材料体系是指由纳米尺寸的颗粒，或由 超微粒子组成的块体，或由超微粒子在空间有序 排列成的一维、二维、三维图形组成的聚合体。 纳米材料体系物理是研究纳米尺度范围内出 现的物理现象和物理效应。 一、电子能级的不连续性 录像：为什么材料 二、量子尺寸效应 到了纳米尺度性质 会发生改变？ 三、小尺寸效应 四、表面效应 五、量子隧穿效应
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量子尺寸效应
例：纳米金（Au）微粒的导电性变化 能带理论表明，宏观尺寸的金属费米能级附近电子能 级一般是连续的。纳米微粒包含的原子数有限，久保 等人提出相邻电子能级间距和颗粒直径间的关系如图 所示，并符合下列公式：
4 EF 1 δ= ∝ 3 N V
式中，δ为能级间距；EF 为 费米能级；N为一个超微粒 的总导电电子数；V为超微 粒子体积。
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量子尺寸效应 当粒子为球形时，
1 δ∝ 3 d
即随粒子颗径的减小，能级间隔加大。当d 很大 时，δ很小，这就是宏观连续能级的情况。当d 足够小时，δ就会变大，当δ＞kBT时能级产生分 裂，使纳米微粒的磁、光、声、热、电与宏观特 性有显著的不同，导体变成了绝缘体。
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量子尺寸效应 根据2-124和2-126式有
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表面效应 由于表面原子 配位不足，纳米微 粒具有高的表面能 和高的活性，表面 原子极不稳定，很 容易与其他原子结 合。
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表面效应
假设晶粒为圆形，实心圆代 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0.3nm左右。实心圆的 原子是表面原子，它们近邻配位 不完全，“E”原子缺少一个近邻， “D”原子缺少两个近邻，“A”原 子缺少三个近邻配位原子，“A” 是极不稳定的，很容易跑到“B” 位置上，这些表面原子一遇见其 他原子会很快结合，使其稳定化， 这就是活性的原因。
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特殊的热学性能 （3）非晶体纳米微粒的晶化温度低于常规粉体 传统非晶氮化硅在1793K晶化成α相；而纳 米非晶氮化硅微粒在1673K加热4小时就全部 转变成α相了。 纳米微粒晶化开始长大温度也随粒径的减 小而降低。如：直径为35nm 、15nm和8nm的 Al2O3微粒，粒子晶化快速长大的开始温度分 别为1423K 、1273K和1073K 。
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奇特的光学效应——红移现象 但也有一些材料有“红移”现象，即吸收带 往长波方向移动。 如：NiO共有7个吸收峰，其中4个峰值发生蓝移， 但后3个反而发生了“红移”。 解释：其原因还是小尺寸时表面张力造成颗粒 内应力的结果，这种压应力导致微粒内部晶格 的变化，使能级间隙（价带与导带之间间隙） 变窄，引起了“红移”现象。
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纳米微粒的奇特磁学性能——高的矫顽力 应用：利用纳米铁磁微粒的高矫顽力，可制成磁 性信用卡、磁性钥匙、磁性车票等。 高矫顽力起源的解释： 当粒子尺寸小到某一尺度，每个粒子就是一个 单磁畴，每个单磁畴的纳米微粒实际上成为一个 永久磁铁，若要使这个磁铁去掉磁性，需要很大 的反向磁场，故而表现出极强的矫顽力； 都有为等人提出球链模型，他们采用球链反 转磁化模式来计算纳米镍微粒的矫顽力，但计 算结果大于实验值，此理论还需进一步完善。 返回
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久保理论
久保指出：金属超微粒子在费米面能级附近电子能 级产生离散现象。对小微粒的电子能态作两点假设： 简并费米液体假设 把超微粒子靠近费米面附近的电 子状态看作是受尺寸限制的简并电子气，并且它们的能 级是准量子态的不连续能级。 超微粒子呈电中性 从一个超微粒子中取走一个电子 或加进一个电子都是十分困难的，并提出公式：
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库仑阻塞效应 1987年在微型金属隧道结系统中直接观察到 了这个事实。而且可以计算一个电子隧穿进极板 间的金属粒子，会使电容附加的充电能为e2/2C， 该值远大于kBT，证实了久保理论的正确。 人们称与外界绝缘的这个金属纳米粒子为 “库仑岛”，上述实验结果为“库仑阻塞效应”。
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量子尺寸效应 当粒子尺寸下降到某一值时，出现新的现象： 金属纳米微粒的费米能级附近的电子能级由 准连续变为离散； 半导体纳米微粒的满带（被占据的最高分子 轨道能级）和空带（未被占据的最低分子轨道） 之间能隙变宽。
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特殊的热学性能 （2）烧结温度变低 所谓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相互结合在 一块、密度接近常规材料的最低加热温度。 与纳米微粒熔点降低的原理类似，纳米微粒 压制后，界面蕴藏的高界面能有利于界面间空洞 的放缩。因此，在较低的温度下烧结就能达到致 密化的目的。
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电子能级的不连续性 纳米微粒的尺度很小，与电子的德布罗意波 长相当、小于相位相干长度 Lϕ ，使电子被局限于 一个体积十分狭小的空间，它的能级分布既不是 宏观固体（如金属）的准连续能带，又与微观体 系的能级分布状况不完全相同，表现为原大块金 属的准连续能级产生的离散现象。
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电子能级的不连续性
在单个原子中，电子具有的能量是不连续的；当大量原 子有规则排列而形成晶体时，相邻原子的电荷要相互影响。 内层电子由于被本身原子核牢牢地束缚着，所以所受的 影响并不显著; 价电子的轨道大小和相邻原子间的距离是相同数量级的， 所以所受的影响很显著，价电子不再分别属于各个原子，而 被整个晶体中原子所共有，这就是电子的共有化； 价电子共有化以后，原来原子中电子的能级发生变化， 原先每个原子中具有相同能量的价电子能级因原子的相互影 响而分裂成为一系列和原来能级很接近的新能级，新能级连 成一片形成能带。许多实验证明了晶体中能带的存在。
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奇特的光学效应——宽频带强吸收 应用：纳米微粒的 这一特性被用于军 事，海湾战争中美 国F117A型飞机机身 表面包覆了对红外 和微波隐身的涂料 超炭黑，实际是呈 黑色的纳米粒子， 它具有优异的宽频 带微波吸收能力。
隐形战斗机
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奇特的光学效应——宽频带强吸收 解释：这种优异性能的产生原因有二： ①纳米微粒尺寸远小于红外波长和雷达电磁 波波长，因此纳米微粒材料对这种波的透过率比 常规材料要强的多，这就大大减少了波的反射； ②纳米微粒材料比表面积比常规粗粉大3～4 个数量级，对红外的雷达波的吸收率也大大提高。
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特殊的热学性能 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。 （1）熔点变化 常规Au的熔点为 1336K 左右，当金颗 粒小于10nm时，熔点 急剧下降，当颗粒为 2nm时，373K就开始 熔化。
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特殊的热学性能 大块Pb(铅)的熔点为600K，而20nm球形Pb 微粒熔点降低到288K。 解释：这是因为纳米微粒比表面积大，表面能 高，表面原子近邻配位不全。欲使大块金属熔 化，就是要使其从固态的有序排列变为长程无 序、短程有序的液态，这个相变所需的能量远 比使纳米微粒集合变为长程无序、短程有序所 需的能量大，当然纳米微粒熔点要比常规粉体 低很多。
kB
20nm 由此得：d＜20nm。 从而我们可以知道，金元素在T=1K时，d＜20nm 就会出现量子尺寸效应。 实际情况恰恰如此，当d＜20nm时，金的确具 有很高的电阻，类似于绝缘体。
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小尺寸效应 当超微颗粒的尺寸小到与光波波长、德 布罗意波长等物理特征尺寸相当或是更小时， 就会导致声、光、电、磁、热等新的有别于 材料宏观物理、化学性质上的变化，称小尺 寸效应。 1．奇特的光学效应 2．纳米微粒的奇特磁学性能 3．特殊的热学性能
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纳米微粒的奇特磁学性能——超顺磁性 纳米微粒尺寸小到一定临界值时，进入超顺磁 状态。 例如：α-Fe，Fe3O4和α-Fe2O3在块体时都呈很强的 铁磁性，但当α-Fe颗粒直径小到5nm；Fe3O4 小到 16nm；α-Fe2O3 小到20nm时，它们都变成了超顺 磁体了。 解释：究其原因可能是在小尺寸下，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 再固定于一个易磁化方向，易磁化方向做无规则 的变化，导致纳米铁磁材料微粒呈超顺磁性。
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表面效应
表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总 原子数之比随着纳米粒子尺寸的减小而大幅度 地增加，粒子表面能及表面张力也随着增加， 从而引起纳米粒子较大块固体材料性能的变化。
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表面效应
从图中和表中看出，随着粒 径减小，表面原子比例迅速增加。 例如：微粒粒径为10nm时，比表 面积为90m2/克，微粒粒径为2nm时， 比表面积为450m2/克。
2 2 h 2kF h2 2 EF = = (3π n) 3 2m 2m
据（2-138）式
4 EF δ = 3 N
金的电子数密度n=6×1022个/cm3，得： δ = (8.7 ×10 −8 ) / d 3
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量子尺寸效应 根据久保理论：当δ＞kBT，即δ/kB＞T 时就会 产生能级分裂，当T=1K时，令 δ = (8.7 ×10 −8 ) / d 3 > 1
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库仑阻塞效应 实验结果：当正负极 板之间加适当的电压 时，会有电子从负极 板隧穿到极板间的纳 米微粒上。 同时，它的静电库仑作用阻止了下一个电子从负 极板再向中间的纳米微粒隧穿。只有当中间微粒 上多余的那一个电子已经隧穿到正极板之后，下 一个负极板的电子才能从负极板隧穿到纳米微粒 上。
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表面效应
表面原子活化促使纳米金属粒子在空气中会 因与氧结合而自燃，但是金属纳米粒子也会成为 催化剂或储氢材料。然而非金属的纳米粒子在空 气中也会吸附气体，不再保持原有的性质，因此 纳米微粒不进行表面化学改性，很难添加到人们 指定的材料中去。
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奇特的光学效应——蓝移现象 与大块材料相比，纳米微粒的吸收带普遍存在 “蓝移”现象，即吸收带向短波方向移动。 图2-20为CdS（硫 化镉）溶胶微粒在不 同尺寸下的吸收谱。 在相同实验条件下， 随着颗粒尺寸的减小， 吸收带向左移（A、 B、C、D）这就是蓝 移现象。
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奇特的光学效应——蓝移现象 解释：这一现象的产生，仍然是由于小尺寸效应。 对上述半导体来说，满带与空带间能隙变大， 且能隙宽度随纳米颗粒尺寸的减小而增大，造 成了吸收频率峰值的蓝移。 纳米微粒的表面张力使微粒的晶格畸变，晶 格常数变小，第一和第二近邻层距离变短，键 长的缩短导致纳米微粒的键本征振动频率增大， 也是造成蓝移的原因。
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特殊的热学性能 纳米TiO2在773K烧结时所显现的硬度与大晶粒 在1546K烧结时的呈现的硬度相当。 纳米氮化硅的烧结温 度仅为673～773K，而 常规大颗粒Si3N4的烧结 温度高达2273K。 纳米Al2O3的烧结温度 为1423～1773K，而常 规Al2O3的烧结温度高达 2073～2173K。
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奇特的光学效应——宽频带强吸收
当黄金小到几百纳米（与金黄色光波长相当），会 失去原有的光泽而呈黑色。实际上所有的纳米金属粒 子都是黑色的，这表明这些纳米颗粒对光的反射率很 低（一般低于1%）。强吸收和低反射导致粒子变黑。 纳米Si3N4 ，SiC和Al2O3 粉对红外光有一个宽频带 强吸收谱。 ZnO、Fe2O3和TiO2等对紫外光有强吸收作用。 解释：产生这个现象的原因主要在于它们属半导体 性材料，量子尺寸效应使满带与空带间的能隙变宽， 在紫外光的照射下，电子被激发由满带向空带跃迁 需要紫外光吸收。
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技
纳米微粒的奇特磁学性能——高的矫顽力 纳米尺度的强磁性颗粒（铁钴合金、铁氧体 等），随着颗粒变小饱和磁化强度Ms下降，但矫顽 力却显著的增加。 由 图 看 出 ， 16nm 的 Fe微粒在温度5.5K时矫顽 力可达1.27×105A/m；就 是在室温下，矫顽力也可 达7.96×104A/m，而常规 的Fe块体的矫顽力，仅达 7.96×10A/m。
e2 k B T << W ≈ d
超微粒子的粒径d 越小，从中取走或加进一个电子克服库 仑力所需做的功W越大。
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库仑阻塞效应 相距小于100nm的正负极板组成一个电容器， 极板电容为C，在极板间放置一个尺寸为几十纳米 的金属粒子，它们彼此都是绝缘的。 宏观观点：在两极板间 所加的电压达到一定值 时，电荷会穿过壁垒而 形成电流。 量子力学观点：原则上 对于有限的势垒，隧道 电流总是存在的。