纳米颗粒的物理特性
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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。
• 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。
4
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
（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
8
磁学性能
第三章 纳米微粒的 物理特性
1
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。
2
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
3
ຫໍສະໝຸດ Baidu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：
（3-2）
n
Kn (n j) / nj3
（3-3）
j 1
1 (n1) j 1 (n1)
2
2
Ln [n (2 j 1)]/[n(2 j 1)3]（3-4）
j 1 12
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 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。
14
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。
10
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。
11
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
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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。
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： -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 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
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。
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光学性能
与常规大块材料不同。没有一个单一的，择优 的键振动模，而存在一个较宽的键振动模的分 布，在红外光场作用下它们对红外吸收的频率 也就存在一个较宽的分布，这就导致了纳米粒 子红外吸收带的宽化。
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。
• 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
（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
第三章 纳米微粒的 物理特性
1
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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ຫໍສະໝຸດ Baidu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：
（3-2）
n
Kn (n j) / nj3
（3-3）
j 1
1 (n1) j 1 (n1)
2
2
Ln [n (2 j 1)]/[n(2 j 1)3]（3-4）
j 1 12
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 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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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。
10
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。
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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
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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。
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： -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 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
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。
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光学性能
与常规大块材料不同。没有一个单一的，择优 的键振动模，而存在一个较宽的键振动模的分 布，在红外光场作用下它们对红外吸收的频率 也就存在一个较宽的分布，这就导致了纳米粒 子红外吸收带的宽化。