纳米材料的结构与性质

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1、第二章纳米材料的结构与性能2.1纳米材料的分类及特性2.2纳米微粒的物理特性2.3纳米碳材料2.4纳米晶体材料2.5纳米复合材料一、纳米材料的分类按结构(维度）分为4类：（1）零维纳米材料：空间三个维度上尺寸均为纳米尺度—纳米颗粒、原子团簇等。（2）一维纳米材料：在空间二个维度上尺寸为纳米尺度—纳米丝、纳米棒、纳米管等。（3）二维纳米材料：只在空间一个维度上尺寸为纳米尺度—纳米薄膜、多层薄膜等。（4）三维纳米材料：由纳米材料基本单元组成的块体2.1纳米材料的分类及特性纳米材料：三维空间中至少有一维处于1～100nm尺度范围内或由纳米基本单元构成的材料。按组成分类纳米金属

2、、纳米晶体、纳米陶瓷、纳米玻璃、纳米高分子、纳米复合材料按应用分类纳米电子材料、纳米光电子材料、纳米生物医用材料、纳米敏感材料、纳米储能材料按材料物性分类纳米半导体材料、纳米磁性材料、纳米非线性光学材料、纳米铁电体、纳米超导材料、纳米热电材料二、纳米材料的特性1.量子尺寸效应当粒子尺寸下降到或小于某一值，费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象，以及纳米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的分子轨道能级，这些能隙变宽现象称为量子尺寸效应。金属费米能级附近电子能级一般是连续的，这一点只有在高温或宏观尺寸情况下才成立。对于只有有限个导电电子的超微粒

3、子来说，低温下能级是离散的。久保理论(相邻电子能级间距δ和金属纳米粒子的直径d的关系)：对比宏观物体，N趋于无穷大，则δ~0。当粒子为球形时，式中N为一个超微粒的总导电电子数，V为超微粒体积，EF为费米能级。明显：随粒径的减小，能级间隔增大纳米微粒，所包含原子数有限，N值很小，这就导致能级间距δ有一定的值，随着N的减小，能级间距δ变大，即能级发生分裂久保及其合作者提出相邻电子能级间隔和颗粒直径的关系，如下图所示根据相邻电子能级间隔和颗粒直径的关系金属纳米粒子粒径减小，能级间隔增大，费米能级附近的电子移动困难，电阻率增大，从而使能隙变宽，金属导体将变为绝缘体。从性质上来讲

4、：由于尺寸减小，超微颗粒的能级间距变为分立能级，如果热能，电场能或磁场能比平均的能级间距还小时，超微颗粒就会呈现一系列与宏观物体截然不同的反常特性。2.小尺寸效应当纳米粒子的尺寸与光波波长、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将被破坏，非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近的原子密度减小，导致声、光、电、磁、热力学等特性出现异常的现象---小尺寸效应。当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，即失去了原有的富贵光泽而呈黑色。事实上，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，银白色的铂(白金)变成铂黑，金属铬变成铬黑。由此可

5、见，金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于l%，大约几微米的厚度就能完全消光。利用这个特性可以作为高效率的光热、光电等转换材料，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能，还可能应用与红外敏感元件和红外隐身技术。热学：固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的；超细微化后却发现其熔点将显著降低，当颗粒小于10nm量级时尤为显著。例如，块状金的常规熔点为1064℃，当颗粒尺寸减小到10nm尺寸时，则降低27℃，2nm尺寸时的熔点仅为327℃左右。3.表面效应表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随着粒子尺寸的减小而大幅度的增加，粒子的表面能及表面张力也随着增加，从而引

6、起纳米粒子物理、化学性质的变化。10纳米1纳米0.1纳米随着尺寸的减小，比表面积迅速增大(1)比表面积的增加比表面积常用总表面积与质量或总体积的比值表示。质量比表面积、体积比表面积当颗粒细化时，粒子逐渐减小，总表面积急剧增大，比表面积相应的也急剧加大。边长立方体数每面面积总表面积1cm10-5cm(100nm)10-6cm(10nm)10-7cm(1nm)11015101810211cm210-8cm210-12cm210-14cm26cm26×105cm26×106cm26×107cm2如：把边长为1cm的立方体逐渐分割减小的立方体，总表面积将明显增加。例如，粒径为1

7、0nm时，比表面积为90m2/g，粒径为5nm时，比表面积为180m2/g，粒径下降到2nm时，比表面积猛增到450m2/g(2)表面原子数的增加随着晶粒尺寸的降低，表面原子所占的比例、比表面积急剧提高，使处于表面的原子数也急剧增加，平均配位数急剧下降。表面原子数占全部原子数的比例和粒径之间的关系(3)表面能如果把一个原子或分子从内部移到界面，或者说增大表面积，就必须克服体系内部分子之间的吸引力而对体系做功。在T和P组成恒定时，可逆地使表面积增加dA所需的功叫表面功。所做的功部分转化为表面能储存在体系中。因此，颗粒细化时，体系的表面能增加