纳米材料及其研究进展

文 章编 号 ：６ １— ３ １ ２ １ ） １— ０ １— ４ １７ ６６ （０ ０ ｏ ００ ０
纳 米 材 料 及 其 研 究 进 展
曾琦 斐 ， 谭荣喜 王贵华 ，
（． １湖南环境生物职业技术学院 工商管理 系， 湖南 衡 阳 ４ １０ ；． ２０ ５ ２ 湖南省衡 阳市金原科技有限公司 ， 湖南 衡阳 ４ １０ ） ２０ ５
粉， 使纳 米材 料 进 入 了一 个 新 的 阶 段 ． ９ ０年 ７ １９
有 五个特殊效应 即表面效 应 、 电限域 、 子尺寸 介 量 效 应 、 尺寸效 应及宏观量子隧道效应 ． 小
２ 纳米 材料 的特性 ¨ Ｊ
２ １ 力学性质 ． 纳 米材料强 度 与粒径 成 反 比． 纳米 材 料 的位
月 在美 国召开第一 届 国际 纳米 科 学 技术 会议 ， 宣 布纳米材料 科学为材料 科学 的一个新 分支．
错 密 度 很低 ， 位错 滑 移 和增 殖 符 合 Ｆａｋ—Ｒｅ ｒｎ ｅｄ 模 型 ， 临界位错 圈的直径 比纳米 晶粒粒径 要大 ， 其
增 殖后 位错塞 积 的平 均间距 一 般 比晶粒 大 ， 其位 错 滑移 和增殖不会 发生 ， 就是纳 米晶强化 效应 ． 这 由于纳米 材料具 有 大 的界面 ， 面 的原 子 排列 相 界 当混乱 ， 子在外 力变形 的条件下容 易迁移 ， 原 表现 出 良好 的韧性 与延 展性 ． 应用 纳 米技 术 制 成超 细 或 纳米 晶粒材料 ， 其韧性 、 度 、 度大幅 提高． 强 硬 例 如， 氟化 钙纳米材 料 在室 温 下可 以大 幅度 弯 曲而 不 断裂 ； 纳米 晶粒 的金 属 比传 统 粗 晶粒 金属 硬 呈 ３～ ５倍 ； 纳米 陶瓷具有 良好 的韧性 ， 等． 等
３ 纳 米 材料 的应 用
川
３ １ 在 半导 体 中的应 用 ． 当前微 处理器 已达 到 ５０万个 晶体 管的 集成 ５ 度 、０ ６ ０ＭＨＺ的频 率 和 ０ １ ． ８的线 宽 ， 满 足 不 了 仍
技术 发展 的需要 ． 据 Ｉｔｌ 司预 测 ， ２ １ 根 ｎｅ 公 到 ０ １年
力学性 能的改变． 由于其组成 单元 的尺度小 ， 面 界
占用 相当大 的成分 ， 由纳米微粒构成 的体 系具有不 同于通 常大块宏观材料体 系的许 多特 殊性质． 其具
收 稿 日期 ：０ ９—１ ２０ ０一ｌ ２
效应高达 ５ ％ ， ０ 可用于信息存储的磁电阻读出磁 头， 具有相 当高 的灵 敏度和低 噪音． 目前 巨磁电阻 效 应 的 读 出磁 头 可 将 磁 盘 的 记 录 密 度 提 高 到
取代 常规半 导体 器件 ． ０ １年用 碳 纳 米管 制 成 的 ２０ 纳米 晶体 管 ， 现 出很 好 的 晶体 三极 管放 大特性 ． 表 根据低 温下碳 纳 米管 的三 极 管放 大 特 性 ， 已成 功
研制 出单电子 晶体 管和 逻辑 电路 ． ２ ４ 热学性 质 ．
材 料 和纳米 磁性 液体 ． 在铁磁 质纳 米磁 性材料 中 ， 存 在 磁单 畴结 构 ， 具有 超顺 磁性 ， 即纳 米结构 的尺 寸小 于磁单 畴 的 临界 尺 寸 时 ， 纳米 结 构 中的 原子 磁矩 有 序 化 ， 有顺 磁 质 的特 性 ， 具 而在 无 外 场 时 ， 对任 何一 个方 向都不 显磁 性． 外磁 场后 ， 加 形成磁
２ ２ 磁学 性质 ．
１ 什 么是 纳米 材 料
纳米材料 是指三维 空间尺度 至少有 一维处 于
纳米 量级 （ １～１０ Ｂ Ｉ 的材 料 ， 是 由尺 寸介 于 ０ Ｉ） Ｔ 它
原子、 分子 和宏观 体 系之 间 的纳 米粒 子 所组 成 的
新一 代 材料． 纳米 材料 中 ， 面原子 占极 大 比例 ， 界 原子排 列互不 相 同 ， 面周 围的 晶格 结 构互 不相 界
２１ ０ ０年 ３月
１７ ｂ ｃ 同时 纳米 巨磁 电阻材料 的磁 电阻 与 ． １Ｇ ／ ｍ ． 外磁场 间存在 近 似线 性 的关 系 ， 可用 作 新 型 磁 传
要 继 续发 展 必 须 寻求 工 艺 和 技 术 突 破 ． 光 电集 “ 成” 就是 其 中一 个 途 径 ， 硅 电 路 中用 光 连 接 取 在
致其 力学性 能 、 磁性 、 电性 、 导性 、 介 超 光学 乃至热
当代 计 算 机 硬 盘 系 统 的 磁 记 录 密 度 超 过 １５ ｂ ｃ 在 这情况 下 ， 应 法读 出磁 头 和普 ．５Ｇ ／ ｍ ， 感
通坡 莫合 金磁 电阻 磁头 的 磁 致 电 阻效 应 为 ３ ， ％ 已不能满 足需 要 ， 而纳 米 多层 膜 系统 的巨 磁 电阻
关 ， 而构成与 晶态 、 晶态均不 同的一 种新 的结 从 非
构状 态． 纳米 晶粒 和高浓度 晶界是纳 米材料 的两个
重要特征． 纳米 晶粒 中原子排列 已不能处理成无 限 长程有序 ， 常大晶体的连续 能带分 裂成接近分 子 通 轨道的能级 ， 高浓度 晶界及 晶界原 子的特殊结构 导
二 元半 导体 化合物 中的嵌埋结 构及半 导 体超 晶格 材料 ， 在光纤 通讯 和光探 测器 方面有 广泛 的应用 ．
３ ２ 在 磁性 材料 中的 应用 ． 纳 米磁 性材 料包 括 纳 米 磁 粉材 料 、 米 磁 膜 纳
量子 效应 和库仑 堵塞 效应制 成 的纳米 电子器 件具 有超 高速 、 超容 量 、 微型 、 超 低能 耗 的特 点 ， 可用 于
矩有 序 化 ， 成过 程不是 瞬时 的 ， 形 而有 一个 驰豫 时
间． 超顺 磁 性 材 料 ， 矫顽 力 远 比普 通材 料 大 ， 高 对
密 度磁 记录元 件 十分重 要． ３ ３ 在 催化 剂领 域应 用 ． 纳米粒 子表 面积大 、 面活性 中心 多 ， 表 为催化 剂提 供 了必 要 条 件． 目前 纳 米粉 材 如铂 黑 、 、 银 氧 化铝 和氧 化铁 等广 泛 用 于 高分 子 聚 合 物 氧化 、 还 原及 合成 反应 的 催化 剂 ． 用 纳 米镍 粉作 为 火 箭 如 固体 燃料 反应 催化 剂 ， 燃烧 效率 提高 １０倍 ； ０ 以粒
代 电连接 ． 而大块 的硅 或锗 的发光效 率很 低 ， 然 且 发 光波段 在 近 红 外 ， 适 合 “ 电 集 成 ” 寻 求 一 不 光 ． 种 有效产 生光 发射 的硅基 材料 已成 为材料 科学 的
一
感材料 ． 高分 子 复合 纳 米材 料 对 可 见光 具 有 良好 的透射率 ， 可见 光 的 吸 收 系数 比传统 粗 晶 材 料 对 低得 多 ， 对红 外 波段 的 吸 收 系数 至 少 比传 统 粗 晶 材料低 ３个 数 量级 ， 性 比 ＦＢ 和 ＦＦ 磁 ｅＯ ｅ３透 明体 至少 高 １ 个数 量级 ， 在光 磁系 统 、 光磁 材料 中有 广
由于 界面原子 排列 较 为混乱 、 原子密 度低 、 界 面原 子耦合 作用 变 弱 ， 米 材料 的 比热 和 热膨 胀 纳 系数 大于 同类粗 晶材 料 和 非 晶体 材料 ， 在储 热 材 料、 纳米 复合材 料 的 机械 耦 合 性 能应 用 方 面有 广 泛的应 用 ． Ｃ —Ｃ ， 粒膜 对 太 阳光有 强烈 如 ｒ ｒＯ 颗 的吸收 作用 ， 能有效 地将 太 阳光 能转 换为 热能 ． 固 态物质 在其形 态为 大尺 寸时 ， 熔点 是 固定 的 ， 其 超 细微化 后熔点 将显 著 降低 ． 常规 金 熔 点 为 １３ 如 ３７ Ｋ， 当颗 粒尺 寸减小 到 ２纳米 时熔点 为 ６ ０Ｋ． ０
摘
要 ： 述 了纳 米材 料 力 学 、 学 与 电 学 等 方 面 的特 性 与其 在 半 导 体 、 性 材 料 、 化 剂 等 领 域 的 应 用及 其 综 磁 磁 催
研 究现状 ， 并对 纳米材料的研 究趋势和市场前景进行 了预测和展 望． ２ ． 参 Ｏ
关 键 词 ： 米 材料 ； 纳 特性 ； 用 ； 应 进展 ； 述 综 中图 分 类号 ：Ｂ ８ Ｔ ３ 文献 标 识 码 ： Ａ
基 金项 目 ： 阳 市科 技 局 资助 项 目 （ 号 ：ｏ ９０６ ． 衡 编 ２ｏ ｒ ｏ） 作 者简 介 ： 琦 斐 （９ ２一） 男 ， 南 衡 南 人 ， 教 授 ． 曾 １７ ， 湖 副 研究 方 向 ： 学 教学 与 科 研 、 化 教学 管 理
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湖 南 环境 生 物 职 业 技 术 学 院 学 报
泛 的应 用． ２ ３ 电学性 质 ．
个 热点 ． 导体 纳米 材料 在 可见 光 区具 有较 高 半 的发光 效率 ， 发光 波 段 与 发光 效 率 可 由纳 米 材 料
的尺 寸得 以控 制． 外 ， 孔 硅 中的 量子 点结 构 、 此 多
由于 晶界面 上 原子 体 积 分数 增 大 ， 米 材 料 纳 的电阻高 于同类 粗 晶 材 料 ， 至发 生 尺 寸诱 导金 甚 属 一绝缘 体 转 变 （ Ｉ Ｔ） 利 用 纳 米粒 子 的隧 道 ＳＭＩ ．
第 １ 第 １期 ６卷
２１ ０ ０年 ３月
湖南 环 境 生 物 职业 技 术 学 院 学 报
Ｊ ｕ ａ ｆ ｎ ｎ Ｅ ｖｒ ｎ ｎ —Ｂ ｏ ｏ ｉａ Ｐ ｌ ｔｃ ｎｃ ｏｒ ｌ ｎ ｏ Ｈｕ ａ ｎ ｉ ｍｅ ｔ ｏ ｉｌｇｃ ｌ ｏｙ ｅ ｈ ｉ
Ｖ１ １ ． ． ６ Ｎｏ １ Ｍａ ． ２ ０ ｒ ０１
直接利 用 原子 、 子 的排 布 制 造具 有 特 定 功 能 的 分
有 交互作 用 ， 透 性 可 以通 过 控制 粒 径 和 气孔 率 光
而加 以精确控制 ， 在光感 应和光 过滤 中应用 广泛 ． 由于量 子尺寸 效 应 ， 米半 导 体 微 粒 的吸 收 光 谱 纳
一
般存 在蓝 移现象 ， 光吸 收率大 ， 其 可应 用于 红外
线感测 器材 料． 属超微 颗粒 对光 的反射 率很 低 ， 金 可低 于 １ ， 约几微 米 的厚 度 就能 完 全 消光 ． ％ 大 利
用 这个特性 可 以作 为 高 效率 的光 热 、 电 等 转换 光 材 料 ， 效率地将 太 阳能转 变 为热能 、 高 电能 ．
药品， 纳米 级粒 子 将使 药 物 在 人 体 内 的传 输 更 为 方便 ， 用数 层 纳米 粒 子 包裹 的智 能药 物 进 入 人 体
ห้องสมุดไป่ตู้
诺 贝尔奖 获得者 Ｆ ｙ ｅ ａ ｅｎｍ ｎ曾经预 言 ： 如果 对 物体微小规模 上 的排 列加 以某种 控 制 ， 就能 使 物 体得到大量 的异 乎 寻常 的特 性 ， 就会 看 到 材料 的 性能产生 丰富的 变化 ． 所 说 的材料 就 是纳 米 材 他 料．９ ４年 德 国萨 尔兰大学 的 Ｇｅ ｅ 以及 美 国阿 １８ ｌ ｔｒ ｉ 贡试 验室 的 Ｓｅｅ 相继成 功制得 纯物 质 的纳米 细 ｉ ｌ ｇ
２ ５ 光学性 质 ． 纳米粒 子 的粒 径 远小 于 光 波 波长 ， 入射 光 与
度 小于 １０ｎ 的镍 和铜 一锌 合 金 的纳 米材 料 为 ０ ｍ 主要成 分制 成加 氢 催 化剂 ， 可使 有 机 物 的 氢 化率
达 到传 统镍 催 化 剂 的 ｌ Ｏ倍 ； 纳 米 ＴＯ 制 成 光 用 ｉ： 催 化 剂具 有很强 的氧 化 还原 能 力 ， 分 解 废 水 中 可 的 卤代 烃 、 有机 酸 、 、 酚 硝基 芳烃 、 取代 苯胺及 空气 中的 甲醇 、 甲醛 、 酮等 污染物 ． 丙 ３ ４ 在 医药 卫生行 业的 应用 ． 药 品颗 粒小 容 易被 人 体 吸 收 ， 使用 纳 米 技 术 能 使药 品生 产过 程 越来 越 精 细 ， 纳 米 的 尺 度上 在