第五章_新材料之纳米材料

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1、第五章纳米材料牛顿力学只适用于低速的宏观物体，高速运动只能用相对论来解释;在纳米层次，许多原来在宏观尺度上使用的规律、定理、方式、方法，都将不再适用，世界将是另一模样。任何材料当尺寸进入纳米量级后，都出现一些新性质新材料纳米材料跟普通材料都是由同样的原子组成，这些原子排列成了纳米级的原子团，成为新材料的结构单元。主要内容纳米材料的定义与特性纳米材料和纳米技术的研究意义纳米加工和纳米集成纳米材料和纳米技术的应用纳米材料的定义与特性什么是纳米材料？纳米材料：晶粒尺寸为纳米量级的超细材料，其基本颗粒直径不到100nm。微粒尺寸大于原子簇，小于通常的微粒。包括体积分数近似相等的两个

2、部分：一是直径为几个或几十个纳米的粒子；二是粒子间的界面。界面原子占极大比例，从而构成与晶态、非晶态均不同的一种新的结构状态。纳米材料的两个重要特征：纳米晶粒和高浓度晶界。纳米晶粒中的原子排列已不能看作长程有序。高浓度晶界及晶界原子的特殊结构导致材料的力学性能、磁性、介电性、超导性、光学乃至热力学性能的改变。大自然人工制造纳米材料奇异性能的来源：*久保(Kubo)理论表面效应小尺寸效应量子尺寸效应久保(Kubo)理论（针对金属超微颗粒费米面附近电子能级状态分布而提出来的）把金属纳米粒子靠近费米面附近的电子状态看作是受尺寸限制的简并电子态，进一步假设它们的能级为准粒子态的不连

3、续能级，认为相邻电子能级间距δ和金属纳米粒子的直径d的关系为：N为金属纳米粒子的总导电电子数，EF为费米能级。随着纳米粒子的直径减小，能级间隔增大。能隙变宽到一定的程度，金属导体将变为绝缘体。电子能级的不连续性纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后，引起性质的变化。纳米材料的表面效应粒径<10nm，表面原子的比例迅速增加。粒径<1nm，表面原子数约90%以上，原子几乎全部集中到纳米粒子的表面。由于纳米粒子表面原子数增多，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，故具有很高的化学活性。纳米材料的小尺寸效应当超细粒子的尺寸与光波

4、波长、德布罗意波长、超导态的相干长度或与磁场穿透深度相当或更小时，晶体周期性边界条件被破坏，导致声、光、电、磁、热力学等特性呈现新的小尺寸效应。如，光吸收显著增加，磁有序态向磁无序态的转变，超导相向正常相转变，声子谱发生变化，金属熔点降低，增强微波吸收等。*用高倍率电子显微镜对金微粒(2nm)的结构非稳定性进行观察，实时记录颗粒形态的变化，发现颗粒形态可以在单晶与多晶、孪晶之间连续地转变。当纳米粒子的尺寸下降到某一值时，金属粒子费米面附近电子能级由准连续变为离散能级；纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据的分子轨道能级和最低未被占据的分子轨道能级，能隙变宽现象等均被量子尺寸效

5、应。纳米材料的量子尺寸效应对纳米微粒，所包含原子数N值很小，导致能级间距有一定值。当能级间距大于热能、磁能、静磁能、静电能、光子能量或超导体的凝聚能时，会导致纳米微粒磁、光、声、热、电以及超导电性与宏观特性有着明显的不同。如：纳米微粒的比热、磁化率与所含的电子的奇偶性有关、光谱线的频移、催化性质与所含的电子奇偶性有关，导体变绝缘体等。纳米材料的微结构特点目前纳米材料的结构研究主要集中在界面结构、晶粒结构及结构稳定性等方面。*界面结构界面占有可与颗粒相比的体积百分数。界面结构包含大量缺陷，影响甚至决定了材料的性能。界面结构极其复杂，与材料的制备方法和制备历史有关。对于多孔固体

6、，在总的孔隙率达到一定值后，若孔尺寸足够小，也会表现出孔的尺寸效应和表面效应，从而产生一系列异于体相的性质。这种固体称为纳米介孔固体(meso-poroussolid)。纳米介孔固体由于其巨大的内表面积和均匀的孔尺寸，使其在催化和分离科学中有重要的应用。关于界面结构的两派观点早期格莱特等人利用多种结构分析手段(如X射线衍射、中子散射、穆斯堡尔谱、EXAFS、正电子湮没等)对纳米材料的界面结构进行了深入研究后，认为纳米晶界面具有较为开放的结构，原子排列具有随机性，原子间距较大，原子密度较低。晶界结构既非晶态的长程有序，也不是非晶态的短程有序，是一种类似于气态的更无序的结构。托

7、马斯(Thomas)和西格尔等人认为纳米材料的界面结构与普通多晶材料在本质上没有太大差别。他们利用高分辨电镜(HREM)对纳米晶样品进行细致观察，发现纳米晶体的晶界与普通大角晶界非常相似。*晶粒结构（由于界面组分在纳米材料中占有很大的比例，因而在结构和性能分析时，往往忽略晶粒而只考虑界面的作用）。但一些研究表明：纳米尺寸的晶粒结构与完整晶格也有很大差异。纳米晶粒由于尺寸超细，在一定程度上表现出晶格畸变效应。由非晶晶化形成的纳米晶Ni3P和Fe2B化合物的点阵常数研究表明，纳米尺寸晶粒的点阵常数偏离了平衡值。这表明纳