纳米材料的特性和应用

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1、纳米材料的特性和应用材化081班：王雅蕾指导教师：陈平（陕西科技大学材料科学与工程学院陕西西安710021）摘　要：纳米材料是近几年最受关注的新材料之一，以其高表面活性、特殊的尺寸效应、光电效应、催化效应、广阔的应用前景等特点成为当今热点研究领域之一。本文就纳米材料的特性和应用进行了综述。关键词：纳米材料；性质；应用TheCharacterandApplicationofNano-materialsAbstract:Nano-materialsareoneofthenovelmaterialswhichscientistsarepayingmoreandmoreatten

2、tion,duetoitshighsurfaceactive,specialsizeeffect,photoelect-riceffect,catalyticeffectandwideapplicationpotential.Inthispaper,thecharacterandapplicationarereviewed,anditsdevelopmentisprospected.Keywords:Nano-materials;Character;Application1、纳米材料的特性1.1尺寸效应当超细微粒子尺寸与光波波长及传导电子德布罗意波长以及超导态的相干长度或

3、透射深度等尺寸相当或更小时，周期性的边界条件将被破坏从而产生一系列新奇的性质[1]。1.1.1　特殊的光学性质纳米金属的光吸收性显著增强。粒度越小，光反射率越低。所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小，颜色愈黑。金属超微颗粒对光的反射率通常可低于1%，约几微米的厚度就能完全消光。相反，一些非金属材料在接近纳米尺度时，出现反光现象。纳米TiO2、纳米SiO2、纳米Al2O3等对大气中紫外光具有很强的吸收性。1.1.2热学性质的改变固态物质超细微化后其熔点显著降低，当颗粒小于10nm数量级时尤为显著。例如，金的常规熔点为1064℃，当颗粒尺寸减小到2nm尺寸时熔点仅为

4、327℃左右，银的常规熔点为670℃，而超微银颗粒的熔点可低于100℃。1.1.3　特殊的磁学性质小尺寸的超微颗粒磁性与大块材料有显著的不同，大块的纯铁矫顽力约为80A/m，而当颗粒尺寸减小到20nm以下时，其矫顽力可增加1千倍，当颗粒尺寸约小于6nm时，其矫顽力反而降低到零，呈现出超顺磁性。1.1.4特殊的力学性质纳米材料的强度、硬度和韧性明显提高。纳米铜的强度比常态提高5倍，纳米金属比常态金属硬3-5倍。纳米陶瓷材料具有良好的韧性，因为纳米材料具有大的界面，界面的原子排列相当混乱，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出甚佳的韧性与一定的延展性。1.2表面与界面效

5、应与宏观物体相比，纳米粒子因为表面原子数目增多，比表面积增大[2]。这会导致无序度增加，同时晶体的对称性变差，其部分能带被破坏，因而出现了界面效应[3]。较大的比表面积和小尺寸的纳米粒子，导致位于表面的原子占有相当大的比例，原子配位不足，表面原子的配位不饱和性导致大量的悬空键和不饱和键、表面能高，因而这些表面原子具有高的活性[4]。纳米材料较高的化学活性，使其具有了较大的扩散系数，大量的界面为原子扩散提供了高密度的短程快扩散路径。这种表面原子的活性就是表面效应。纳米粒子的表面界面效应，主要表现为:(1)熔点降低，这是由于表面原子存在振动弛豫，即振幅增大，频率减小；(2)比

6、热增大。1.3宏观量子隧道效应量子隧道效应是从量子力学的粒子具有波粒二象性的观点出发的，解释粒子能够穿越比总能量高的势垒，这是一种微观现象。近年来，发现一些宏观量也具有隧道效应，称为宏观量子隧道效应[5]。用此概念可以定性解释纳米镍晶粒在低温下继续保持超顺磁性现象。量子尺寸效应和宏观量子隧道效应将是未来微电子器件的基础，或者说它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限[6,7]。1.4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，相对于裸露在半导体纳米材料周

7、围的其他介质而言，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，从而导致它与裸露纳米材料的光学性质相比发生了较大的变化，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，使产生明显的介电限域效应。纳米材料与介质的介电常数相关越大，介电限域效应就越明显，在光学性质上就表现为明显的红移现象。同时介电限域效应越明显，吸收光谱的红移也就越大[8]。2、纳米材料的应用[9~13]2.1在半导体中的应用当前微处理器已达到550万个晶体管的集成度、600MHZ的频率和0.18的线宽，仍满足不了技术发展的需要。根据Intel