最新第二章--纳米材料的基本效应ppt课件.ppt

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1、第二章--纳米材料的基本效应第二章纳米材料的基本效应当材料的结构进入纳米尺度调制范围时，会表现出小尺寸效应、表面与界面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等纳米效应。第二章纳米材料的基本效应2.1久保（Kubo）理论久保理论是针对金属超细微粒费米面附近电子能级状态的分布而提出来的，它与通常处理大块材料费米面附近电子态能级分布的传统理论不同，有新的特点，这是因为当颗粒尺寸进入到纳米级时由于量子尺寸效应，原大块金属的准连续能级产生离散现象。第二章纳米材料的基本效应2.1久保（Kubo）理论在温度T下，电子的

2、平均动能约为kBT数量级。当微粒的能隙大于电子的kBT时，热运动不能使电子跃过能隙，电子的状态受到限制，表现出量子效应。对于金属纳米材料，由于费米面附近的能隙很小，只有当其颗粒非常小时才会产生明显的量子效应。第二章纳米材料的基本效应2.2表面效应（界面效应）表面效应是指纳米粒子表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。如下图。Relationshipbetweentheratioofthesurfaceatomstowholeatomsandparticlesize从图中可以

3、看出，粒径在10nm以下，将迅速增加表面原子的比例。当粒径降到1nm时，表面原子数比例达到约90%以上，原子几乎全部集中到纳米粒子的表面。第二章纳米材料的基本效应2.2表面效应（界面效应）表2-1纳米微粒尺寸与表面原子数的关系粒径d/nm原子总数表面原子占比例/%10310420441034013099当直径小于100nm时，其表面原子百分数急剧增长，甚至1g纳米颗粒表面的总和可高达100m2，这时的表面效应将不容忽略。球形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

4、积/体积)与直径成反比。颗粒直径的变小比表面积将会显著地增加，第二章纳米材料的基本效应2.2表面效应（界面效应）第二章纳米材料的基本效应2.2表面效应（界面效应）表2-2纳米Cu微粒的粒径与比表面积、比表面能的关系粒径d/nm比表面积/m2·g-1比表面能/J·mol-11006.65.910210665.910316605.9104随着粒径的减小，纳米粒子的表面原子数、比表面积、表面能及表面结合能都迅速增大。表面效应表2.3纳米Cu微粒的粒径与比表面积、表面原子数比例、表面能和一个粒子中的原子数

5、的关系由表看出Cu的纳米微粒粒径从100nm→10nm→1nm，Cu微粒的比表面积和表面能增加2个数量级。高的比表面，使处于表面的原子数越来越多，表面原子配位数不足和高的表面能，表面原子处于"裸露"状态，周围缺少相邻原子，有许多剩余键力，易与其他原子结合而稳定，具有较高的化学活性。在电子显微镜的电子束照射下，表面原子仿佛进入了“沸腾”状态，尺寸大于10nm后这种颗粒结构的不稳定性才消失，并进入相对稳定的状态。纳米材料的很多物性主要由界面决定第二章纳米材料的基本效应2.2表面效应（界面效应）第二章纳米材料

6、的基本效应2.2表面效应（界面效应）例如，许多金属的纳米粒子室温下在空气中就会被强烈氧化而燃烧；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。很多催化剂的催化效率随尺寸减小到纳米量级而得到显著提高。对于纳米结构气敏材料也具有类似的现象，随着颗粒尺寸的减小，材料的气孔率、选择性以及响应和恢复速率等都得以显著提高。表面效应这种表面原子的活性不但引起纳米粒子表面原子输运和构型变化，同时也引起表面电子自旋构象和电子能谱的变化。下面举例说明纳米粒子表面活性高的原因。第二章纳米材料的基本效应2.2表面效应

7、（界面效应）第二章纳米材料的基本效应2.2表面效应（界面效应）图2-4将采取单一立方晶格结构的原子尽可能以接近圆（或球）形进行配置的超微粒模式图表面效应图2.1所示的是单一立方结构的晶粒的二维平面图，假定颗粒为圆形，实心圆代表位于表面的原子，空心圆代表内部原子，颗粒尺寸为3nm，原子间距约为0.3nm，很明显，实心圆的原子近邻配位不完全，存在缺少一个近邻的“E”原子，缺少两个近邻的“D”原子和缺少三个近邻配位的“A”原子，象“A”这样的表面原子极不稳定。很快跑到“B”位置上．这些表面原子一遇见其他原子，

8、很快结合，使其稳定化，这就是活性的原因。第二章纳米材料的基本效应2.3小尺寸效应（体积效应）当纳米粒子的尺寸与光波的波长、传导电子的德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理尺寸相当或比它们更小时，周期性的边界条件被破坏，声、光、电、磁、热力学特性等均会随着粒子尺寸的减小发生显著的变化。这种因尺寸的减小而导致的变化称为小尺寸效应，也叫体积效应。第二章纳米材料的基本效应2.3小尺寸效应（体积效应）例如，纳米材料的光吸收明显加大，并产生吸