1纳米材料的神奇特性及其广阔的应用前景

一、纳米材料的显著性质及其广阔的应用前景

1.表面效应

球型颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积（表面积/体积）与直径成反比。随着颗粒直径的变小，比表面积将会显著地增加，颗粒表面原子数相对增多，从而使这些表面原子具有很高的活性且极不稳定，致使颗粒表现出不一样的特性，这就是表面效应。尤其是当物质的尺寸减小到纳米级，将引起表面原子数、表面积、表面能的迅速增加，引发物质化学活性、光学、热学和电学性质的改变。这是因为表面原子的晶体场和结合能与内部原子的不同，表面原子周围缺少相邻的原子，有许多悬空键，具有不饱和性，易与其它原子相结合而稳定下来，具有很大的化学活性，从而使表面能大大增加。

纳米颗粒的表面具有很高的活性，在空气中金属颗粒会迅速氧化而燃烧。如要防止自燃，可采用表面包覆或有意识地控制氧化速率，使其缓慢氧化生成一层极薄而致密的氧化层，确保表面稳定化。利用表面活性，金属超微颗粒可望成为新一代的高效催化剂和贮气材料以及低熔点材料。

2.小尺寸效应

当物质的体积减小时，将会出现两种情形：一种是物质本身的性质不发生变化，而只有那些与体积密切相关的性质发生变化，如半导体电子自由程变小，磁体的磁区变小等；另一种是物质本身的性质也发生了变化，当纳米材料的尺寸与传导电子的德布罗意波长相当或更小时，周期性的边界条件将被破坏，材料的磁性、内压、光吸收、热阻、化学活性、催化活性及熔点等与普通晶粒相比都有很大的变化，这就是纳米材料的体积效应，亦即小尺寸效应。

这种特异效应为纳米材料的应用开拓了广阔的新领域，例如，随着纳米材料粒径的变小，其熔点不断降低，烧结温度也显著下降，从而为粉末冶金工业提供了新工艺；利用等离子共振频移随晶粒尺寸变化的性质，可通过改变晶粒尺寸来控制吸收边的位移，从而制造出具有一定频宽的微波吸收纳米材料。

3.量子尺寸效应

各种元素的原子具有特定的光谱线，如钠原子具有黄色的光谱线。原子模型与量子力学已用能级的概念进行了合理的解释，由无数的原子构成固体时，单独原子的能级就并合成能带，由于电子数目很多，能带中能级的间距很小，因此可以看作是连续的，从能带理论出发成功地解释了大块金属、半导体、绝缘体之间的联系与区别，对介于原子、分子与大块固体之间的超微颗粒而言，大块材料中连续的能带将分裂为分立的能级；能级间的间距随颗粒尺寸减小而增大。当热能、电场能或者磁场能比平均的能

级间距还小时，就会呈现一系列与宏观物体截然不同的反常特性，称之为量子尺寸效应。

例如，导电的金属在超微颗粒时可以变成绝缘体，磁矩的大小和颗粒中电子是奇数还是偶数有关，比热亦会反常变化，光谱线会产生向短波长方向的移动，这就是量子尺寸效应的宏观表现。因此，对超微颗粒在低温条件下必须考虑量子效应，原有宏观规律已不再成立。

4.宏观量子隧道效应

材料中作为基本粒子之一的电子既具有粒子性，又具有波动性，这就是微观粒子的波粒二象性。而量子隧道效应则是所有量子力学体系的基本特性之一。

纳米材料是一个典型的量子力学体系。因此，宏观量子隧道效应将会成为未来微电子、光电子器件的基础，同时也限定了采用磁带磁盘进行信息储存的最短时间。在制造半导体集成电路时，当电路的尺寸接近电子波长时，电子就会发生隧道效应而使器件无法正常工作。理论预测表明，经典电路的极限尺寸大概为35 nm,而目前大规模集成电路的线宽已经达到70 nm。科学家们已经成功研制出的单电子晶体管（量子共振隧穿晶体管）就是利用量子效应制成的新一代器件，并有望成为新一代计算机的基础。

在纳米领域，重要的研究工具STM（扫描隧道显微镜）的工作原理于这种效应有关。

5.介电限域效应

随着纳米晶粒粒径的不断减小和比表面积不断增加，其表面状态的改变将会引起微粒性质的显著变化。例如，当在半导体纳米材料表面修饰一层某种介电常数较小的介质时，相对裸露于半导体纳米材料周围的其它介质而言，被包覆的纳米材料中电荷载体的电力线更易穿过这层包覆膜，从而导致它比裸露纳米材料的光学性质发生了较大的变化，这就是介电限域效应。当纳米材料与介质的介电常数值相差较大时，便产生明显的介电限域效应，此时，带电粒子间的库仑作用力增强，结果增强了电子-空穴对之间的结合能和振子强度，减弱了产生量子尺寸效应的主要因素——电子-空穴对之间的空间限域能，即此时表面效应引起的能量变化大于空间效应所引起的能量变化，从而使能带间隙减小，反映在光学性质上就是吸收光谱表现出明显的红移现象。纳米材料与介质的介电常数相差越大，介电限域效应就越明显，吸收光谱红移也就越大。近年来，在纳米Al2O3、Fe2O3、SnO2中均观察到了红外振动吸收。

6.库仑堵塞效应

为了形象地解释什么是库仑阻塞现象(Coulomb blockade)，不妨首先考虑一种假想情况。如果有一金属微粒与其周围外界在电学上是绝缘的，只有在特定的条件下电子才可能从外面隧穿进入该金属微粒。当金属微粒的尺寸足够小时它与周围外界之间的电容C可小到l0^-16 F的量级．在这种

条件下每当单个电子从外面隧穿进入金属散粒时(有时也称它为孤立的库仑岛)，它给库仑岛附加的充电能/C

e2( e为电子电荷)可以远远大于低温下的热运动能量kT(k为玻耳兹曼常数，T是绝对温度)。这样就会出现一种十分有趣的现象：一旦某个电子隧穿进入了金属微粒，它将阻止随后的第二个电子再进入同一金属微粒。因为这样的过程将导致系统总能的增加，所以是不允许发生的过程．这就是库仑阻塞现象。很显然，只有等待某个电子离开库仑岛以后，岛外的另一个电子才有可能再进入。这样利用库仑阻塞效应就有可能使电子逐个隧穿进出库仑岛，实现单电子隧穿过程。库仑阻塞概念的提出最早可以追溯到1951年，Gorter等人为了解释颗粒状金属电阻随温度下降所表现出来的反常增加行为，假想材辩中每个金属微粒与其周围的微粒在电学上是绝缘的，栏互之间存在着隧穿势垒。他们认为直接利用前面提到的库仑阻塞的简单概念，可以解释电阻反常增加的行为。在提出库仑阻塞概念的36年以后，也即直到1987年，才在由两个微型金属隧穿结串联组成的系统上直接观察到电导的库仑阻塞振荡。

利用单电子现象中的库仑阻塞效应为基本工作原理已经设计和制造出多种单电子器件。主要包括：单电子盒器件（观察单电子现象的极好样板，并且现在已经提出应用单电子盒作为量子比特(qubit)设想），单电子陷阱（克服了单电子盒器件没有记忆缺陷），单电子晶体管（克服了单电子盒器件不能负载直流电流的缺陷），单电子旋转门（可看作是单电子盒的两种推广组合），单电子泵（两个岛的单电子泵可看作是两个单电子盒通过隧道结连接在一起，包含三个隧道结和两个栅极），多隧道结电路。单电子器件及其各种应用构成了电子学的一个新的领域——单电子学。——《纳电子学》