纳米材料技术概述
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• 尺寸相当于或小于光波波长, 传导电子的德布罗意波长,超 导态的相干长度或透射深度等特征尺寸时, 周期性的边界 条件将被破坏, 声, 光, 电, 磁, 热力学等特性即呈现新的小 尺寸效应或量子尺寸效应.
（i）特殊的光学性质: 当纳米颗粒尺寸小到一定程度时具有很强的吸光性。 所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。纳米材料可以作
Байду номын сангаас
第二节：纳米材料与结构的奇异特性
2.1 尺寸效应
• 随着颗粒尺寸的变小，在一定条件下会引起颗粒性质的变 化。
• 由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为尺寸 效应。
• 对纳米颗粒而言，尺寸变小的同时，其比表面积亦显著增 加，表面原子的电子能级离散、能隙变宽、晶格改变、表 面原子密度减小，从而产生一系列新奇的性质。
D/nm
10 4 2 1
Atom number
3x104 4x103 2.5x102
30
Atom number Specific Area in Surface (%) (m2/g)
20
90
40
225
80
450
99
900
由于表面原子数增加，表面原子配位数不足和高的表面能，使这些 原子易与其它原子相结合而稳定下来，从而具有很高的化学活性。 实际应用中，常需对其表面进行修饰或包覆。
（v）特殊的电学性质：
• 久保理论: 针对金属纳米粒子费米面附件电子能级状态分 布而提出的,认为相邻电子能级间距和金属粒子的直径有 关. 随着粒径减小，能级间隔增大，电子移动困难，电阻 率增大，从而使能级变宽，金属导体将因此变成绝缘体。
2.2 表面与界面效应
Table 1.1 纳米微粒尺寸与表面原子数的关系
折射现象。 (2)分散相的粒子小于入射光的波长时，则发生光的散射现
象。此时光波绕过粒子而向各个方向散射出去，散射出来 的光称为乳光或散射光。
第三节：纳米科技发展的特点及社会影响
• 特点：领域广泛，难以垄断；领先发展纳米材料和结构； 多学科合作和交叉；基础性和战略性；投资的优选性；选 择优势，避免风险。
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。
（ii） 特殊的热学性质： 大尺寸固态物质的熔点是固定的， 在其被超细化后熔点将显
著降低，当颗粒小于10纳米是尤为显著。 金：m.p. 1064℃---1037℃(10 nm)---327℃(2 nm). 银：m.p. 670℃-------------------﹤100℃. 通过少量掺杂， 可大大降低烧结温度。
第一章纳米材料技术概述
• 纳米材料指的是晶粒尺寸为1-100纳米的超细材料. • 已成为世界各国研究和发展的热点和重点. 第一节：纳米材料技术的发展历史 1.1 纳米材料技术的发展的历程 1.2 纳米材料技术研究方法的转变 1.3 纳米科技在20世纪末和21世纪初的发展概况 第二节：纳米材料与结构的奇异特性 2.1 尺寸效应: （i）特殊的光学性质; （ii） 特殊的热学性质;（iii）特殊的磁学
2.3 宏观量子隧道效应
• 微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。 • 一些宏观物理量，如微观粒子的磁化强度，量子相干器件
中的磁通量等也具有隧道效应，称为宏观的量子隧道效应。 • 量子尺寸效应、隧道效应是未来微电子器件的基础，确立
了现有微电子器件进一步微型化的极限（必须考虑量子效 应）。
2.4 胶体分散体系 (i) 胶体和胶体的基本特性 • 分散体系：把一种或几种物质（分散相）分散在另一种物
（ii）溶胶的动力性质 • 动力性质主要是指溶胶中粒子的不规则运动以及由此产生
的扩散、渗透压以及在重力场下浓度随高度的分布平衡等 性质。 • 布朗（Brown）运动： • 扩散和渗透压： • 沉降和沉降平衡：
（iii）溶胶的光学性质 • 丁铎尔（Tyndall）效应 • 当光线射入分散体系时可能发生两种情况： (1)分散相的粒子大于入射光的波长时，则发生光的反射或
质（分散介质）中形成的体系。
• 胶体分散体系：分散相大小在10-9－10-7 m 之间。 • 液溶胶：分散介质为液体的胶体分散体系。固溶胶，气溶
胶。
• 1861年，Graham 提出了“胶体”的概念。 • 基本特性：特有的分散程度，不均匀（多相）性，聚结不
稳定性。
• 例：碘化银胶团构造示意图(KI为稳定剂) • 胶团：[(AgI)m nI- , (n-x)K+]x- xK+ • 胶粒： [(AgI)m nI- ,(n-x)K+]x• 胶核： (AgI)m
性质;（iv）特殊的力学性质;（v）特殊的电学性质.
2.2 表面与界面效应 2.3 宏观量子隧道效应 2.4 胶体分散体系 (i) 胶体和胶体的基本特性；（ii）溶胶的动力性质； （iii）溶胶的光学性质 第三节：纳米科技发展的特点及社会影响 第四节：纳米科学技术发展趋向 第五节：生物学应用
第一节：纳米材料技术的发展历史 1.1 纳米材料技术的发展的历程
（iii）特殊的磁学性质：
• 磁性纳米粒子具有高矫玩力和或超顺磁性的特性.
• 鸽子, 海豚,蝴蝶,蜜蜂以及生活在水中的趋磁细菌等生物体 中存在超微的磁性颗粒.
• 趋磁细菌内通常含有约20纳米的Fe3O4粒子,从而使这类 生物在地磁场导航下能辨别方向,并具有回归的本领.
（iv）特殊的力学性质：
• 纳米粒子由于细化后晶界数量大大增加,可使纳米材料的 强度, 韧性和超塑性大为提高,对机械应力的反应完全不同, 从而显示出优于同类大块材料的力学性能.
(1) 孕育萌生阶段 1860年,胶体化学诞生. (2) 探索研究阶段 1984年, 6 nm Fe 粒子成功合成. (3) 应用开发阶段 1993年以来, 蓬勃发展.
1.2 纳米材料技术研究方法的转变 (1) 由上而下的方法(top down) (2) 由下而上的方法(bottom up)
1.3 纳米科技在20世纪末和21世纪初的发展概况 100 nm 芯片,磁性纳米棒,分子电动机, 纳米机器人,…
• 社会影响：纳米技术对科学、技术和社会发展将起重大作 用，将使未来10－20年工业生产、健康保健和环境管理产 生明显变化，影响经济发展，改变人类生存、社会和环境 状况。
（i）特殊的光学性质: 当纳米颗粒尺寸小到一定程度时具有很强的吸光性。 所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。纳米材料可以作
Байду номын сангаас
第二节：纳米材料与结构的奇异特性
2.1 尺寸效应
• 随着颗粒尺寸的变小，在一定条件下会引起颗粒性质的变 化。
• 由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为尺寸 效应。
• 对纳米颗粒而言，尺寸变小的同时，其比表面积亦显著增 加，表面原子的电子能级离散、能隙变宽、晶格改变、表 面原子密度减小，从而产生一系列新奇的性质。
D/nm
10 4 2 1
Atom number
3x104 4x103 2.5x102
30
Atom number Specific Area in Surface (%) (m2/g)
20
90
40
225
80
450
99
900
由于表面原子数增加，表面原子配位数不足和高的表面能，使这些 原子易与其它原子相结合而稳定下来，从而具有很高的化学活性。 实际应用中，常需对其表面进行修饰或包覆。
（v）特殊的电学性质：
• 久保理论: 针对金属纳米粒子费米面附件电子能级状态分 布而提出的,认为相邻电子能级间距和金属粒子的直径有 关. 随着粒径减小，能级间隔增大，电子移动困难，电阻 率增大，从而使能级变宽，金属导体将因此变成绝缘体。
2.2 表面与界面效应
Table 1.1 纳米微粒尺寸与表面原子数的关系
折射现象。 (2)分散相的粒子小于入射光的波长时，则发生光的散射现
象。此时光波绕过粒子而向各个方向散射出去，散射出来 的光称为乳光或散射光。
第三节：纳米科技发展的特点及社会影响
• 特点：领域广泛，难以垄断；领先发展纳米材料和结构； 多学科合作和交叉；基础性和战略性；投资的优选性；选 择优势，避免风险。
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。
（ii） 特殊的热学性质： 大尺寸固态物质的熔点是固定的， 在其被超细化后熔点将显
著降低，当颗粒小于10纳米是尤为显著。 金：m.p. 1064℃---1037℃(10 nm)---327℃(2 nm). 银：m.p. 670℃-------------------﹤100℃. 通过少量掺杂， 可大大降低烧结温度。
第一章纳米材料技术概述
• 纳米材料指的是晶粒尺寸为1-100纳米的超细材料. • 已成为世界各国研究和发展的热点和重点. 第一节：纳米材料技术的发展历史 1.1 纳米材料技术的发展的历程 1.2 纳米材料技术研究方法的转变 1.3 纳米科技在20世纪末和21世纪初的发展概况 第二节：纳米材料与结构的奇异特性 2.1 尺寸效应: （i）特殊的光学性质; （ii） 特殊的热学性质;（iii）特殊的磁学
2.3 宏观量子隧道效应
• 微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。 • 一些宏观物理量，如微观粒子的磁化强度，量子相干器件
中的磁通量等也具有隧道效应，称为宏观的量子隧道效应。 • 量子尺寸效应、隧道效应是未来微电子器件的基础，确立
了现有微电子器件进一步微型化的极限（必须考虑量子效 应）。
2.4 胶体分散体系 (i) 胶体和胶体的基本特性 • 分散体系：把一种或几种物质（分散相）分散在另一种物
（ii）溶胶的动力性质 • 动力性质主要是指溶胶中粒子的不规则运动以及由此产生
的扩散、渗透压以及在重力场下浓度随高度的分布平衡等 性质。 • 布朗（Brown）运动： • 扩散和渗透压： • 沉降和沉降平衡：
（iii）溶胶的光学性质 • 丁铎尔（Tyndall）效应 • 当光线射入分散体系时可能发生两种情况： (1)分散相的粒子大于入射光的波长时，则发生光的反射或
质（分散介质）中形成的体系。
• 胶体分散体系：分散相大小在10-9－10-7 m 之间。 • 液溶胶：分散介质为液体的胶体分散体系。固溶胶，气溶
胶。
• 1861年，Graham 提出了“胶体”的概念。 • 基本特性：特有的分散程度，不均匀（多相）性，聚结不
稳定性。
• 例：碘化银胶团构造示意图(KI为稳定剂) • 胶团：[(AgI)m nI- , (n-x)K+]x- xK+ • 胶粒： [(AgI)m nI- ,(n-x)K+]x• 胶核： (AgI)m
性质;（iv）特殊的力学性质;（v）特殊的电学性质.
2.2 表面与界面效应 2.3 宏观量子隧道效应 2.4 胶体分散体系 (i) 胶体和胶体的基本特性；（ii）溶胶的动力性质； （iii）溶胶的光学性质 第三节：纳米科技发展的特点及社会影响 第四节：纳米科学技术发展趋向 第五节：生物学应用
第一节：纳米材料技术的发展历史 1.1 纳米材料技术的发展的历程
（iii）特殊的磁学性质：
• 磁性纳米粒子具有高矫玩力和或超顺磁性的特性.
• 鸽子, 海豚,蝴蝶,蜜蜂以及生活在水中的趋磁细菌等生物体 中存在超微的磁性颗粒.
• 趋磁细菌内通常含有约20纳米的Fe3O4粒子,从而使这类 生物在地磁场导航下能辨别方向,并具有回归的本领.
（iv）特殊的力学性质：
• 纳米粒子由于细化后晶界数量大大增加,可使纳米材料的 强度, 韧性和超塑性大为提高,对机械应力的反应完全不同, 从而显示出优于同类大块材料的力学性能.
(1) 孕育萌生阶段 1860年,胶体化学诞生. (2) 探索研究阶段 1984年, 6 nm Fe 粒子成功合成. (3) 应用开发阶段 1993年以来, 蓬勃发展.
1.2 纳米材料技术研究方法的转变 (1) 由上而下的方法(top down) (2) 由下而上的方法(bottom up)
1.3 纳米科技在20世纪末和21世纪初的发展概况 100 nm 芯片,磁性纳米棒,分子电动机, 纳米机器人,…
• 社会影响：纳米技术对科学、技术和社会发展将起重大作 用，将使未来10－20年工业生产、健康保健和环境管理产 生明显变化，影响经济发展，改变人类生存、社会和环境 状况。