材料物理课件5纳米材料与纳米效应

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1、5纳米材料与纳米效应1.纳米材料的定义:任何至少有一个维度的尺寸介于1nm至100nm之间的基本单元组成的材料称为纳米材料。具有尺寸在1nm至100nm之间的纳米结构的材料也可广义地称之为纳米材料。纳米颗粒纳米线纳米薄膜具有纳米厚度的钝化膜的普通金属“纳米塑料”2021/10/61纳米材料及纳米科技的发展20世纪80年代研究手段：扫描隧道显微镜（STM）原子力显微镜（AFM）用STM针尖搬动48个Fe原子组成的量子栅栏Co原子在Cu（111）面上组成的人工点阵2021/10/62由C60组成的“纳米算盘”（每个C60珠子可由STM针尖移动代表1-10）2021/10/631、

2、尺寸效应一、纳米材料的基本效应当纳米材料的组成相的尺寸（如晶粒的尺寸、第二相的尺寸）减小时，纳米材料的性能将发生明显的变化或突变。纳米材料具有尺寸效应的基础是量子效应和表面（或界面）效应。Ni3Al合金的流变应力与沉淀粒子Ni3Al尺寸的关系纳米ZnO光致发光谱（随着ZnO尺寸的减小光致发光强度随激发光的波长减小而增加）纳米晶Cu的自由能随晶粒尺寸D和温度的变化（当尺寸D小于1.4nm时，ncCu的G大于非晶态Cu的G而不能维持晶态）2021/10/642、量子效应（1）小尺寸系统的量子效应，是指电子的能量被量子化，形成分立的电子态能级，电子在该系统中的运动受到约束。随着金属粒子尺

3、寸的减小，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，以及半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据分子轨道，能隙变宽的现象，均称为量子效应。金属和半导体的原子、单个粒子及块体的电子能级示意图a）金属b）半导体2021/10/652、量子效应（2）久保（Kubo）公式：1）从一个超细粒子中取走或放入一个电子都是十分困难的。因此超细微粒保持电中性。从一个超细粒子中取走或放入一个电子需要克服库仑力所作的功W为：随着d值的下降，W值增加，所以低温下热涨落很难改变超微粒子的电中性。2021/10/662、量子效应（3）久保（Kubo）公式：2）相邻电子能级间隙Eg和微

4、粒直径d之间的关系：其中N为一个超细粒子的总导电电子数，V为粒子的体积，EF为费米能级。如果假定粒子为球形，则：2021/10/672、量子效应（4）对比两个公式，可知随着粒子直径的减小，Eg比W增大要快两个数量级。因此，当粒子直径减小到某一临界值时，Eg要大于W，即：当微粒的能隙大于电子的kB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。这是粒子产生量子效应的判据，其中kBT为热能。对于半导体材料，出现量子效应的尺寸要比金属粒子的尺寸大得多，其量子效应主要表现为导带与价带间的带

5、隙变宽且出现能级分离。2021/10/683、界面效应由于纳米粒子的尺寸越小，位于表面的原子所占的比例也越大，表面效应越显著。粒子表面原子所占比例与粒子直径的关系Bcc和fcc合金的晶界体积分数与晶粒直径的关系2021/10/693、界面效应（2）由于表面原子数增多，原子配位不足及高的表面能，使这些表面原子具有高的活性，极不稳定，很容易与其他原子结合。例如金属纳米粒子在空气中会燃烧，无机纳米粒子暴露在空气中会吸附气体，并与气体进行反应。纳米粒子表面及表面原子的特点：1）具有大量未被原子占据的位置或空间。2）具有低的配位数和密度。3）大的原子均方间距。4）存在三叉晶界（也称旋错Dis

6、clination）。2021/10/6104、宏观量子隧道效应近来，人们发现一些宏观量，例如微颗粒的磁化强度，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。微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。宏观量子隧道效应无论在基础研究还是实际应用方面都有着非常重要的意义，它限定了磁带、磁盘进行信息储存的时间及空间极限。2021/10/611二、纳米材料的制备方法（1）1、气相制备法将高温的蒸气在冷阱中冷凝或在衬底上沉积和生长出低维纳米材料的方法。采用气相法可合成纳米粉体、纳米丝和生长出超晶格薄膜和量子点等。物理气相沉积法（PVD）化学气相沉积法（CVD）2021/1

7、0/612二、纳米材料的制备方法（2）2、液相合成法先将所需组分溶解在液体中形成均相溶液，然后通过反应沉淀得到所需组分的前驱物，再经过热分解得到所需物质。沉淀法（Precipitation）微乳液法（Micro-emulsion）溶胶-凝胶法（Sol-gelmethod）电解沉积法（Electrodeposition）水解法（Hydrolyzation）溶剂蒸发法（SolventEvaporation）2021/10/613二、纳米材料的制备方法（3）3、