纳米四大效应和特征尺度

四大效应
量子尺寸效应 小尺寸效应 表面效应 宏观隧道效应
量子尺寸效应：
当颗粒尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的电 子能级由准连续变为离散能级的现象和纳米半导体微 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，能隙变宽的现象均称为量子尺寸效 应。 当热能、电场能或者磁场能比纳米材料的平均能级间 距还小时，就会出现与宏观物体截然不同的一系列反 常特性。
那么，当研究对象变成纳米尺度的物质，纳米尺度的 微观世界，变成一个原子或一个分子时，是否还会遵 循传统理论和规律呢？
水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，也就是说在这个微 观世界里，它就能相够溶，并且溶得非常好， 成为热力学的稳定相。不管它温度变化也好， 振动也好，里头加一点化学原料也好，它都能 够是稳定的。
特殊的光学性质：
1.当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时， 即失去了原有的富贵光泽而呈黑色。
事实上，所有的金属在超微颗粒状态时都 呈现为黑色。尺寸越小，颜色越黑，银白色 的铂变成铂黑。由此可见，金属超微颗粒对 光的反射率很低，通常可低于1%，大约几微 米的厚度就能完全消光。
2.可以使光吸收显著增加，并产生吸收峰的等离子共 振频移。
自从1984年德国科学家Gleiter等人首次用惰性气体凝聚 法成功地制得Pd、Cu、Fe等钠米微粒以来．由于纳米 材料具有明显不同于体材料和单个分子的独特性质： 表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观隧道效 应等，以及其在电子学、光学、化工、陶瓷、生物和 医药等诸多方面的重要价值，引起了世界各国科学工 作者的浓厚兴趣．纳米材料问世以来，大致完成了材 料创新、性能开发阶段，现在正步人完善工艺和全面 应用的阶段，显示出无限广阔的应用前景.
小尺寸效应
当超微颗粒的尺寸与光波波长、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 尺寸相当或者更小时，晶体周期性的边界条件 将被破坏；非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近 原子密度减小，导致声、光、电、磁、热、力 学等特性呈现新的小尺寸效应。
纳米微粒由于具有小尺寸效应，所以才表现出：
（1）特殊的光学性质 （2）特殊的热学性质 （3）特殊的电学性质 （4）特殊的磁学性质 （5）特殊的力学性质 超微颗粒的小尺寸效应还表现在超导电性、介电性能、 声学特性以及化学性能等方面。
红外光吸收：纳米Al2O3、TiO2、SiO2、Fe2O3及其
复合材料对人体红外有强烈吸收，可以起到保暖作用 ，减轻衣服重量，对登山运动员、军人战士防寒。
紫外光吸收：纳米TiO2、Al2O3、SiO2、ZnO粉末对
250nm以下的波长有较强的吸收。185nm的短波紫外线 对人体健康有损害，而且对日光灯的寿命有影响，若 将Al2O3粉末掺入稀土荧光粉中，可吸收掉这些有害的 紫外光。
例：1〉量子尺寸效应引起材料导电性的突变
导电的金属在纳米颗粒时可以变成绝缘体
导电性最好的Ag 在1K条件下，当其尺寸小于20nm
时就成了绝缘体。
证明：根据久保公式
4 EF
3N
结合
得到
假设：
则T=1K时，可以推导出d=20nm。
因此，当其尺寸小于20nm时就成为绝缘体了
2）铁电体转变为顺电体
如 PbTiO3、BaTiO3等典型的铁电体在其临界尺寸 分别会转变成顺电体，从而其室温下以立方相存在。
尺 寸 及 形 貌 导 致 颜 色 不 同
磁学：纳米尺度的强磁性颗粒（Fe-Co合 金，氧化铁等)，随着颗粒尺寸减小磁性 呈现一定的规律。当颗粒尺寸为单磁畴 临界尺寸时，具有甚高的矫顽力。
3）不发光的物质转变为发光物质
粗晶状态Si、Ge是间接带隙半导体，不发光；纳米 量级的硅、锗，具有明显的可见光发光现象，而且粒 径越小发光越强，发光光谱逐渐蓝移。
BaTiO3， PbTiO3的结构 钙钛矿铁电体
B P
CA
D
O
E
晶体结构：
G F
氧离子形成氧
电滞回线
八面体，整个晶
体可看成氧八面
体共顶点联接而
纳米电子学
目录
四大效应 特征时间、空间尺度
纳米尺度的物质与宏观物质一样吗？
传统化学的研究对象通常包含着天文数字的原子或分 子，例如，1克水包含了约3.346*1022个水分子；因此 通常所测得的体系的各种物理化学性质都是大量粒子 的平均行为。实际上，热力学规律成立的前提条件就 是由大量粒子组成的体系；
例如，纳米铁粉，因具有了吸光性，而变成了黑 色；它甚至于一改“不怕火烧”的“英雄本 性”，而变成一旦遇到空气，就能马上燃烧起 来，生成氧化铁。
利用光学特性可以作为高效率的光热、光电等 转换材料，可以高效率地将太阳能转变为热能 、电能。也有可能应用于红外敏感原件、红外 隐身技术（纳米复合材料对光的反射度极低， 但对电磁波的吸收性能极强，是隐形技术的突 破）等。
A
成。 氧八面体间的间
O-
隙由A离子占据。
Байду номын сангаас
B+
美国贝尔实验室发现当半 导体硒化镉颗粒随尺寸的 减小能带间隙加宽，发光 颜色由红色向蓝色转移。 美国伯克利实验室控制硒 化镉纳米颗粒尺寸，所制 备的发光二极管可在红、 绿和蓝光之间变化。
除了上述的特殊性质之外，纳米材料的量子尺 寸效应使纳米材料还具有： 高度光学非线性 特异性催化和光催化特性 强氧化性和强还原型 利用这些特性可以制成光催化剂、强氧化剂、 强还原剂、可使用于制备无机抗菌材料。
宽频带强吸收，大块金属具有不同颜色的光泽，这表 明它们对可见光范围内各种颜色（波长）的反射和吸 收能力的不同。而当尺寸小到纳米量级时，各种金属 纳米微粒几乎都成黑色。它们对可见光的反射能力极 低。如纳米Pt粒子的反射率为1%，纳米Au粒子的反射 率小于10%，这种对可见光低反射率的纳米材料，它的 吸收率强。
利用红外隐身技术的案例：
案例：纳米ZnO对雷达电磁波具有很强的吸收 能力，所以可以做隐形飞机的重要涂料。
1991年春的海湾战争，美国执行空袭任务的F －117A型隐身战斗机，其机身外表所包覆的红 外与微波隐身材料中亦包含有多种超微颗粒， 它们对不同波段的电磁波有强烈的吸收能力， 可以逃避雷达的监视，而伊拉克的军事目标没 有这种设施，损失惨重。