纳米材料基本概念与性质
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一是材料的特征尺寸在1—100 nm之间， 二是材料具有区别常规尺寸材料的一些特殊的物理化 学特性。表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧
纳米材料应该包括两个基本条件：
道效应
二 纳米材料的分类 1、按维数 纳米材料的基本单元可分为三类：
（1）零维：空间三维尺度均在纳米尺度（1—
100nm）。如纳米尺度颗粒、原子团蔟等。
用原子团簇压成的纳米金属材料具有很 大的强度和稳定性，以及很强的导电能 力，这类材料存在大量晶界，呈现出特 殊的机械、电、磁、光和化学性质。
复合纳米固体材料亦是一个重要的应用领域。
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，使其间的成分缓慢连续地发生变化，这种 材料可用于温差达1000°C的航天飞机隔热材料、
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)
表 面 原 子 数 相 对 总 原 子 数
100 80
比 例 60 （ 40 ） 20
0 0 10 20 30 40 50
%
表面原子特点： 原子配位不满，多悬空键，高表面能， 高表面活性，使这些表面原子具有高的活性，极 不稳定，很容易与其他原子结合。 例如：A：金属的纳米粒子在空气中会燃烧 B：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
使用静电力显微镜获取直径为18nm的碳纳米管发出的电荷。图 中明亮的光晕是由纳米管帽发射出的电荷所产生的，放电时， 纳米管则变暗 。
15
纳米单层与多层薄膜
超晶格
2、按传统的材料科学体系划分，纳米材料 可分为：纳米金属材料；纳米陶瓷材料； 纳米高分子材料；纳米隐身材料；纳米 生物材料等。
三、从狭义上说，所谓纳米材料，就是有关原 子团蔟、纳米颗粒、纳米线、纳米带、纳米薄 膜、纳米碳管和纳米固体材料的总称。
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
C60特性 笼状结构使其比石墨和金刚石轻得多 表面碳原子不含有未饱和悬挂键，所以化学性质稳定 具有优良的光学、超导、磁、电等特异性能 制备C60常用的方法： 采用两个石墨碳棒在惰性气体（He，Ar）中进行直流 电弧放电，并用围于碳棒周围的冷凝板收集挥发物。挥 发物中除了有C60外，还含有C70，C20等其它碳团簇。可 以采用酸溶去其它团簇，但往往还混有C70。
C60的结构： C60(富勒烯) 由 60个碳原子排 列而成的32面 体，其中20个 六边形，12个 五边形，其直 径为0.7nm。
幻数：构成碳团簇的原子数 幻数为20，24，28，32，36，50，60，70,90具有高稳定 性，其中又以C60最稳定。
4、原子团簇有许多奇异的性质。比表面 大，高化学活性，高催化性，光量子尺 度效应，C60搀杂原子导电性和超导性及 管状、洋葱状的导电性等。
第二节 纳米微粒的基本性质
表面效应 小尺寸效应 宏观量子隧道效应
生活示例
水可能是我们最熟悉的东西，我们每
天都离不开水，我们知道油水是不相溶的，无论宏观
尺度上的水和微观尺度上的水都是和油不相溶的，你 没有办法把它混在一起。
但是如果到了纳米尺度上呢？
纳米材料四大特点: 尺寸小、比表面积大、表面 能高、表面原子比例大
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。
日本名古屋大学上田良二教 授曾经给纳米微粒下了一个 定义：用电子显微镜 (TEM) 能 看到的微粒称为纳米微粒。 5—50 nm的纳米颗粒在高真 空下压制成的纳米材料可以 制成紫外反射涂层、红外吸 收涂层、微波隐身涂层及纳 米功能薄膜材料。
常好的导电性能、导热性能和电性能。
碳纳米管尺寸尽管只有头发丝的十万分之一， 但：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。 像金刚石那样硬，却有柔韧性，可以拉伸。 熔点是已知材料中最高的。
纳米棒，纳米丝 准一维实心的纳米材料是指在两维方向上为 纳米尺度，长度比上述两维方向上的尺度大得 多，甚至为宏观量的新型纳米材料． 纵横比（长度与直径的比率）小的称为纳米 棒，纵横比大的称作纳米丝．至今，关于纳米 棒与纳米丝之间并没有一个统一的标准，通常 把长度小于 1mm的纳米丝称为纳米棒，长度大 于 1mm的称为纳米丝线。半导体和金属纳米线 通常称为量子线。
wk.baidu.com
量，例如微粒的磁化强度、量子相干器件中的
磁通量等亦具有隧道效应，它们可以穿越宏观 系统的势垒而产生变化，故称为宏观量子隧道
效应。
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 概在0.25微米。
上述的小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应 及量子隧道效应都是纳米微粒与纳米固体的基 本特性。 它使纳米微粒和纳米固体呈现许多奇异的物理、 化学性质，出现一些“反常现象”． 例如: 金属为导体，但纳米金属微粒在低温时由于 量子尺寸效应会呈现电绝缘性。 众所周知，金属由于光反射显现各种美丽 的特征颜色，金属的纳米微粒光反射能力显著 下降，通常可低于 1 ％，由于小尺寸和表面效 应使纳米微粒对光吸收表现极强能力；
纳米级材料性能表现出强烈的尺寸依赖性。
当粒子尺寸减小到纳米级的某一尺寸，材料的物性会发生 突变，与同组分的常规材料的性能完全不同，且同类材料的不 同性能有不同的临界尺寸，对同一性能，不同材料相应的临界 尺寸也有差异，所以当物质的粒子尺寸达到纳米数量级时，将 会表现出优于同组分的晶态或非晶态的性质。如熔点下降、强 烈的化学活性和催化活性及特殊的光学、电学、磁学和力学及 烧结性能。这主要是由纳米材料的四大效应引起。
表面效应
表面效应（界面效应）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，从而引起纳米粒子性 能的变化。
纳米微粒尺寸小，表面能高，
位于表面的原子占相当大的比 例． 左边表格列出纳米微粒尺寸与 表面原子数的关系：
随着粒径减小，表面原子数迅 速增加． 这是由于粒径小，表面积急剧 变大所致． 例如，粒径为10nm时，比表面 积为90m2／g， 粒径为5nm时， 比表面积为180m2／g，粒径下 降到2nm，比表面积猛增到 450m2／g．
在氧化铝模板中生长的碳纳米管的SEM照片 a）样品的斜截面;（b）模板经NaOH部分溶解后形成的碳纳米管束
纳米管
庆典礼花——用物理气相沉积（PVD）法制备的ZnO纳米棒的SEM图象
森林——直立在Au薄膜上的单壁碳纳米管的STM图像
2007年最佳纳米级显微图像揭晓：量子森林 托斯藤-兹欧姆巴在德国实验室中捕获，它展示了锗硅量子点： 高15nm，直径70nm。
第二章 纳米材料的基本概念与性质
基本内容
第一节 纳米材料的基本概念 第二节 纳米微粒的基本性质 第三节 纳米微粒的特殊性质
第一节 纳米材料的基本概念
一、纳米材料的基本概念 （一）广义：纳米材料是指三维空间中至少有一 维处于纳米尺度范围（1—100nm）或由它们 作为基本单元构成的材料。
纳米棒
以碳纳米管为模板合成氮化硅纳米丝
用微米级SiO2、Si和混合粉末为原料，用碳纳米管覆盖其 上作为模板，以氮气为反应气合成了一维氮化硅纳米线体。
氮化硅纳米丝
准 一维纳米材料在介观领域和纳米器 件研制方面有着重要的应用前景： 它可用作扫描隧道显微镜(STM)的针尖 纳米器件 超大集成电路(ULSIC)中的连线 光导纤维 微电子学方面的微型钻头 复合材料的增强剂等 目前关于一维纳米材料(纳米管、纳米 丝、纳米棒等)的制备研究已有大量报道。
（2）一维：在空间有两维处于纳米尺度。如纳
米丝、纳米棒及纳米管等。 （3）二维：在空间有一维处于纳米尺度。如超 薄膜、多层膜、超晶格等。
零维的纳米材料粒子（PbS纳米粒子）
一维纳米材料
纳米线
具有超延展能力的纳米晶铜带
纳米阵列
二次氧化获得的氧化铝模板的SEM照片 （a）样品正面；（b）样品反面（未通孔）；（c）样品反面（通孔）
碳纳米管、纳米棒、纳米丝
碳纳米管，是1991年由日本电镜学家饭岛 教授通过高分辨电镜发现的，属碳材料家族中 的新成员，为黑色粉末状。 碳纳米管是由类似石墨的碳原子六边形网 格所组成的管状物，它一般为多层，直径为几 纳米至几十纳米，长度可达数微米甚至数毫 米。
碳纳米管本身有非常完美的结构，意味着它有 好的性能。它在一维方向上的强度可以超过钢 丝强度，它还有其他材料所不具备的性能：非
小尺寸效应
小尺寸效应：当纳米粒子的尺寸与光波波长、 德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深
度等物理特征尺寸相当或更小时，对于晶体其
周期性的边界条件将被破坏，对于非晶态纳米 粒子其表面层附近原子密度减小，这些都会导 致电、磁、光、声、热力学等宏观物理性质的 变化，这称为小尺寸效应，又称体积效应。
随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引 起颗粒性质的质变。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。
宏观量子隧道效应
量子尺寸效应 金属费米能级附近电子能级在高温或
宏观尺寸情况下一般是连续的，单当微粒尺寸下降到
某一纳米值时，金属费米能级附近的电子能级由准连
续能级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的现象，称为量子尺寸效应。 量子尺寸效应可导致纳米颗粒的磁、光、声、电、
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。
纳米复合材料
0-0复合:不同成分、不同相或者不同种类的纳米粒子
复合而成的纳米固体;
0-3复合:把纳米粒子分散到常规的三维固体中;
0-2复合:把纳米粒子分散到二维的薄膜材料中.
均匀弥散:纳米粒子在薄膜中均匀分布；
非均匀弥散：纳米粒子随机地、混乱地分散在薄膜
基体中。
纳米复合材料由于其优良的综合性能，特别是 其性能的可设计性被广泛应用于航空航天、国 防、交通、体育等领域，该研究方向主要包括： A：纳米聚合物基复合材料 B：纳米碳管功能复合材料 C：纳米钨铜复合材料。
热以及超导电性与同一物质原有性质有显著差异，
即出现反常现象：如光谱线频移、导电性能变化等。。
光谱线频移：微粒下降到纳米尺度时，费米能 级附近的电子能级由准连续能级变为分立能级， 吸收光谱阈值向短波或者长波方向移动。
宏观量子隧道效应 微观粒子具有穿越势垒的能
力称为隧道效应。近年来，人们发现一些宏观
纳米材料应该包括两个基本条件：
道效应
二 纳米材料的分类 1、按维数 纳米材料的基本单元可分为三类：
（1）零维：空间三维尺度均在纳米尺度（1—
100nm）。如纳米尺度颗粒、原子团蔟等。
用原子团簇压成的纳米金属材料具有很 大的强度和稳定性，以及很强的导电能 力，这类材料存在大量晶界，呈现出特 殊的机械、电、磁、光和化学性质。
复合纳米固体材料亦是一个重要的应用领域。
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，使其间的成分缓慢连续地发生变化，这种 材料可用于温差达1000°C的航天飞机隔热材料、
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)
表 面 原 子 数 相 对 总 原 子 数
100 80
比 例 60 （ 40 ） 20
0 0 10 20 30 40 50
%
表面原子特点： 原子配位不满，多悬空键，高表面能， 高表面活性，使这些表面原子具有高的活性，极 不稳定，很容易与其他原子结合。 例如：A：金属的纳米粒子在空气中会燃烧 B：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
使用静电力显微镜获取直径为18nm的碳纳米管发出的电荷。图 中明亮的光晕是由纳米管帽发射出的电荷所产生的，放电时， 纳米管则变暗 。
15
纳米单层与多层薄膜
超晶格
2、按传统的材料科学体系划分，纳米材料 可分为：纳米金属材料；纳米陶瓷材料； 纳米高分子材料；纳米隐身材料；纳米 生物材料等。
三、从狭义上说，所谓纳米材料，就是有关原 子团蔟、纳米颗粒、纳米线、纳米带、纳米薄 膜、纳米碳管和纳米固体材料的总称。
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
C60特性 笼状结构使其比石墨和金刚石轻得多 表面碳原子不含有未饱和悬挂键，所以化学性质稳定 具有优良的光学、超导、磁、电等特异性能 制备C60常用的方法： 采用两个石墨碳棒在惰性气体（He，Ar）中进行直流 电弧放电，并用围于碳棒周围的冷凝板收集挥发物。挥 发物中除了有C60外，还含有C70，C20等其它碳团簇。可 以采用酸溶去其它团簇，但往往还混有C70。
C60的结构： C60(富勒烯) 由 60个碳原子排 列而成的32面 体，其中20个 六边形，12个 五边形，其直 径为0.7nm。
幻数：构成碳团簇的原子数 幻数为20，24，28，32，36，50，60，70,90具有高稳定 性，其中又以C60最稳定。
4、原子团簇有许多奇异的性质。比表面 大，高化学活性，高催化性，光量子尺 度效应，C60搀杂原子导电性和超导性及 管状、洋葱状的导电性等。
第二节 纳米微粒的基本性质
表面效应 小尺寸效应 宏观量子隧道效应
生活示例
水可能是我们最熟悉的东西，我们每
天都离不开水，我们知道油水是不相溶的，无论宏观
尺度上的水和微观尺度上的水都是和油不相溶的，你 没有办法把它混在一起。
但是如果到了纳米尺度上呢？
纳米材料四大特点: 尺寸小、比表面积大、表面 能高、表面原子比例大
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。
日本名古屋大学上田良二教 授曾经给纳米微粒下了一个 定义：用电子显微镜 (TEM) 能 看到的微粒称为纳米微粒。 5—50 nm的纳米颗粒在高真 空下压制成的纳米材料可以 制成紫外反射涂层、红外吸 收涂层、微波隐身涂层及纳 米功能薄膜材料。
常好的导电性能、导热性能和电性能。
碳纳米管尺寸尽管只有头发丝的十万分之一， 但：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。 像金刚石那样硬，却有柔韧性，可以拉伸。 熔点是已知材料中最高的。
纳米棒，纳米丝 准一维实心的纳米材料是指在两维方向上为 纳米尺度，长度比上述两维方向上的尺度大得 多，甚至为宏观量的新型纳米材料． 纵横比（长度与直径的比率）小的称为纳米 棒，纵横比大的称作纳米丝．至今，关于纳米 棒与纳米丝之间并没有一个统一的标准，通常 把长度小于 1mm的纳米丝称为纳米棒，长度大 于 1mm的称为纳米丝线。半导体和金属纳米线 通常称为量子线。
wk.baidu.com
量，例如微粒的磁化强度、量子相干器件中的
磁通量等亦具有隧道效应，它们可以穿越宏观 系统的势垒而产生变化，故称为宏观量子隧道
效应。
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 概在0.25微米。
上述的小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应 及量子隧道效应都是纳米微粒与纳米固体的基 本特性。 它使纳米微粒和纳米固体呈现许多奇异的物理、 化学性质，出现一些“反常现象”． 例如: 金属为导体，但纳米金属微粒在低温时由于 量子尺寸效应会呈现电绝缘性。 众所周知，金属由于光反射显现各种美丽 的特征颜色，金属的纳米微粒光反射能力显著 下降，通常可低于 1 ％，由于小尺寸和表面效 应使纳米微粒对光吸收表现极强能力；
纳米级材料性能表现出强烈的尺寸依赖性。
当粒子尺寸减小到纳米级的某一尺寸，材料的物性会发生 突变，与同组分的常规材料的性能完全不同，且同类材料的不 同性能有不同的临界尺寸，对同一性能，不同材料相应的临界 尺寸也有差异，所以当物质的粒子尺寸达到纳米数量级时，将 会表现出优于同组分的晶态或非晶态的性质。如熔点下降、强 烈的化学活性和催化活性及特殊的光学、电学、磁学和力学及 烧结性能。这主要是由纳米材料的四大效应引起。
表面效应
表面效应（界面效应）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，从而引起纳米粒子性 能的变化。
纳米微粒尺寸小，表面能高，
位于表面的原子占相当大的比 例． 左边表格列出纳米微粒尺寸与 表面原子数的关系：
随着粒径减小，表面原子数迅 速增加． 这是由于粒径小，表面积急剧 变大所致． 例如，粒径为10nm时，比表面 积为90m2／g， 粒径为5nm时， 比表面积为180m2／g，粒径下 降到2nm，比表面积猛增到 450m2／g．
在氧化铝模板中生长的碳纳米管的SEM照片 a）样品的斜截面;（b）模板经NaOH部分溶解后形成的碳纳米管束
纳米管
庆典礼花——用物理气相沉积（PVD）法制备的ZnO纳米棒的SEM图象
森林——直立在Au薄膜上的单壁碳纳米管的STM图像
2007年最佳纳米级显微图像揭晓：量子森林 托斯藤-兹欧姆巴在德国实验室中捕获，它展示了锗硅量子点： 高15nm，直径70nm。
第二章 纳米材料的基本概念与性质
基本内容
第一节 纳米材料的基本概念 第二节 纳米微粒的基本性质 第三节 纳米微粒的特殊性质
第一节 纳米材料的基本概念
一、纳米材料的基本概念 （一）广义：纳米材料是指三维空间中至少有一 维处于纳米尺度范围（1—100nm）或由它们 作为基本单元构成的材料。
纳米棒
以碳纳米管为模板合成氮化硅纳米丝
用微米级SiO2、Si和混合粉末为原料，用碳纳米管覆盖其 上作为模板，以氮气为反应气合成了一维氮化硅纳米线体。
氮化硅纳米丝
准 一维纳米材料在介观领域和纳米器 件研制方面有着重要的应用前景： 它可用作扫描隧道显微镜(STM)的针尖 纳米器件 超大集成电路(ULSIC)中的连线 光导纤维 微电子学方面的微型钻头 复合材料的增强剂等 目前关于一维纳米材料(纳米管、纳米 丝、纳米棒等)的制备研究已有大量报道。
（2）一维：在空间有两维处于纳米尺度。如纳
米丝、纳米棒及纳米管等。 （3）二维：在空间有一维处于纳米尺度。如超 薄膜、多层膜、超晶格等。
零维的纳米材料粒子（PbS纳米粒子）
一维纳米材料
纳米线
具有超延展能力的纳米晶铜带
纳米阵列
二次氧化获得的氧化铝模板的SEM照片 （a）样品正面；（b）样品反面（未通孔）；（c）样品反面（通孔）
碳纳米管、纳米棒、纳米丝
碳纳米管，是1991年由日本电镜学家饭岛 教授通过高分辨电镜发现的，属碳材料家族中 的新成员，为黑色粉末状。 碳纳米管是由类似石墨的碳原子六边形网 格所组成的管状物，它一般为多层，直径为几 纳米至几十纳米，长度可达数微米甚至数毫 米。
碳纳米管本身有非常完美的结构，意味着它有 好的性能。它在一维方向上的强度可以超过钢 丝强度，它还有其他材料所不具备的性能：非
小尺寸效应
小尺寸效应：当纳米粒子的尺寸与光波波长、 德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深
度等物理特征尺寸相当或更小时，对于晶体其
周期性的边界条件将被破坏，对于非晶态纳米 粒子其表面层附近原子密度减小，这些都会导 致电、磁、光、声、热力学等宏观物理性质的 变化，这称为小尺寸效应，又称体积效应。
随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引 起颗粒性质的质变。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。
宏观量子隧道效应
量子尺寸效应 金属费米能级附近电子能级在高温或
宏观尺寸情况下一般是连续的，单当微粒尺寸下降到
某一纳米值时，金属费米能级附近的电子能级由准连
续能级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的现象，称为量子尺寸效应。 量子尺寸效应可导致纳米颗粒的磁、光、声、电、
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。
纳米复合材料
0-0复合:不同成分、不同相或者不同种类的纳米粒子
复合而成的纳米固体;
0-3复合:把纳米粒子分散到常规的三维固体中;
0-2复合:把纳米粒子分散到二维的薄膜材料中.
均匀弥散:纳米粒子在薄膜中均匀分布；
非均匀弥散：纳米粒子随机地、混乱地分散在薄膜
基体中。
纳米复合材料由于其优良的综合性能，特别是 其性能的可设计性被广泛应用于航空航天、国 防、交通、体育等领域，该研究方向主要包括： A：纳米聚合物基复合材料 B：纳米碳管功能复合材料 C：纳米钨铜复合材料。
热以及超导电性与同一物质原有性质有显著差异，
即出现反常现象：如光谱线频移、导电性能变化等。。
光谱线频移：微粒下降到纳米尺度时，费米能 级附近的电子能级由准连续能级变为分立能级， 吸收光谱阈值向短波或者长波方向移动。
宏观量子隧道效应 微观粒子具有穿越势垒的能
力称为隧道效应。近年来，人们发现一些宏观