引言参考资料实验目的实验原理实验仪器实验内容

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1、纳米微粒制备实验讲义引言/参考资料/实验目的/实验原理/实验仪器/实验内容/注意事项/预习思考/实验问答引言20世纪80年代末以来，一项令世人瞩目的纳米科学技术正在迅速发展。纳米科技将在21世纪促使许多产业领域发生革命性变化。关注纳米技术并尽快投入到与纳米科技有关的研究，是本世纪许多科技工作者的历史使命。在物理学发展的历史上，人类对宏观领域和微观领域已经进行了长期的、不断深入的研究。然而介于宏观和微观之间的所谓介观领域却是一块长期以来未引起人们足够重视的领域。这一领域的特征是以相干量子输运现象为主,包括团簇、纳米体系和亚

2、微米体系，尺寸范围约为１～1000ｎｍ。但习惯上人们将100～1000ｎｍ范围内有关现象的研究，特别是电输运现象的研究领域称为介观领域。因而１～100ｎｍ的范围就特指为纳米尺度，在此尺度范围的研究领域称为纳米体系（图8.4-1）。纳米科技正是指在纳米尺度上研究物质的特性和相互作用以及利用这些特性的科学技术。经过近十几年的急速发展，纳米科技已经形成纳米物理学、纳米化学、纳米生物学、纳米电子学、纳米材料学、纳米力学和纳米加工学等学科领域。纳米材料与宏观材料相比具有以下的一些特殊效应。1.小尺寸效应纳米材料的尺度与光波波长、德

3、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更小，宏观晶体的周期性边界条件不再成立，导致材料的声、光、电、磁、热、力学等特性呈现小尺寸效应。例如各种金属纳米颗粒几乎都显现黑色，表明光吸收显著增加；许多材料存在磁有序向无序转变，导致磁学性质异常的现象；声子谱发生改变，导致热学、电学性质显著变化。曾有人利用高分辨率电子显微镜追踪拍摄超细金微粒，观察到微粒的外形、结晶态不停地变化，特定界面的原子不断地脱离平衡位置又不停地返回平衡位置，呈现出与常规材料不同的特性，被称为ｌｉｖｉｎｇ　ｐａｒｔｉｃｌｅ。纳米微粒之间

4、甚至在室温下就可以合二为一，它们的熔点降低自然是意料中的j结果。7南京大学物理系纳米微粒制备实验讲义2.表面效应以球形颗粒为例，单位质量材料的表面积（称为比表面积）反比于该颗粒的半径。因此当半径减小时比表面积增大。例如将一颗直径１μｍ的颗粒分散成直径10ｎｍ的颗粒，颗粒数变为100万颗，总比表面积增大100倍。表面原子数比例。表面能等也相应地增大，从而表面的活性增高。洁净的金属纳米微粒往往会在室温环境的空气中燃烧（表面有薄层氧化物时相对稳定），这是必须面对的问题，但是反过来也为优良的催化剂提供了现实可能。3.量子尺寸效应

5、传统的电子能带理论表明，金属费米能级附近电子能级是连续的。但是按照著名的久保（ｋｕｂｏ）理论，低温下纳米微粒的能级不连续。相邻电子能级间距δ与微粒直径相关（8.4-1），式中Ｎ为一个微粒所包含的导电电子数，ＥF为费米能（8.4-2），式中为普朗克常数，ｍ为电子质量，ｎ为电子密度。若将微粒简单地看作球形的，则近似地δ∝１／ｄ３（8.4-3），ｄ为直径。由此可见随着微粒直径变小，电子能级间距变大。久保理论中提及的低温效应按如下标准判断，即只在δ＞ｋBＴ时才会产生能级分裂，式中ｋB为玻尔兹曼常数，Ｔ为绝对温度。这种当大块材料变

6、为纳米微粒时，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称为量子尺寸效应。当能级间距大于热能、磁能、静磁能、静电能、光子能量或超导态的凝聚能时，微粒的磁、电、光、声、热以及超导电性均会与大块材料有显著不同。以Ｃｕ纳米微粒为例，其导电性能即使在室温下也明显下降。对于半导体微粒，如果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，能隙变宽现象等亦称为量子尺寸效应。4.宏观量子隧道效应微观粒子具有穿透势垒的几率，称为隧道效应。近年来，人们发现一些宏观量，例如小颗粒的磁化强度，量子相干器件中的磁通量等亦具有

7、隧道效应，称为宏观量子隧道效应。宏观量子隧道效应对纳米科技有着重要的价值，它是纳米电子学发展的重要基础依据。此外，近十多年来，尚有“库仑堵塞与量子隧穿”，“介电限域效应”等新效应被发现。上述各种效应使得纳米材料呈现出与宏观材料显著不同的特性，甚至出现一些反常的现象，更加吸引着人们开拓和探索这一引人入胜的学科领域。   在整个纳米科技的发展过程中，纳米微粒的制备和微粒性质的研究是最早开展的。时至今日，纳米科技的领域已经迅速地扩大和深入，但要进入纳米领域，最好还是从纳米微粒的制备与测量起步。参考资料［１］张立德，牟季美。纳米

8、材料和纳米结构，科学出版社（2001）。 ［２］VealeC.R.FinePowears-Preparayion,PropertiesandUses,AppliedScience        PublishersLTDLondon（1971）.［３］日本的科学与技术，85.1，超微粒专集。［４］Kimotoetal