纳米材料概述绪论1.doc

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1、1.1纳米材料概述1.1.1纳米相关概念纳米(nm)是一个长度单位，lnm等于十亿分之一(10・9)米，lum大体上相当于10个氮原子一个挨一个排列起来的长度。研究由尺寸在0.1~100nm之间的物质组成体系的运动规律和相互作用，以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术被称为纳米科技。纳米科技的出现使人们可以在纳米尺寸范围内对原子、分子进行操作和加工，通过创造全新分子形态的结构，来发现并研究这些新物质和新特征。纳米科技是一门交叉性很强的综合学科，它不仅包括物理学、化学、生物学、材料科学和电子学这些以观测，分析和研究为

2、主线的基础学科，同时包括了以纳米工程与加工学为主线的技术科学。可以说，纳米科学与技术是一个融前沿科学和高技术于一体的完整体系⑴。1.1.2纳米材料的涵义及特征纳米材料乂称纳米结构材料，是指三维空间尺寸中至少有一维处于纳米尺度范围或由他们作为基本单元构成的材料。纳米材料的基木单元按维数来分可以分为三类：①零维,指在空间三维尺度都在纳米尺度，如原子团簇、纳米粒子、超细粒子、人造原子等；②一维，指在空间有两维处于纳米尺度。如纳米丝、纳米棒、纳米管等。③二维，指在三维空间屮只有一维在纳米尺度，如超薄膜、多层膜、超晶格等。零维

3、纳米材料乂称为量子点,由于其尺寸在三个维度上与电了的德布罗意波的波长或电了的平均口由程和当或更小，因而电子或载流子在三个方向上都受到约束，不能自rti运动，即电子在三个维度上的能量都已量子化。一维纳米材料称为量子线，电子在两个维度或方向上的运动受约束，只能在一个方向上自由运动。二维纳米材料称为量子而，电子仅在-•个方向上的运动受约束，能在其余两个方向上自由运动W纳米材料由于其特殊的结构，使它产生了块体材料和粉体材料所不具备的儿大效应,大致可归纳为：小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等⑺役(1)小尺寸

4、效应纳米材料中的微粒尺寸小到与光波波长、徳布罗意波长(DeBroglieWavelength)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时，晶体周期性的边界条件将被破坏，非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小，使得材料的声、光、电、磁、热、力学等特性出现改变而导致新的特征出现的现象，被称为纳米材料的小尺寸效应。例如,纳米材料的光吸收会显著增加，并产生吸收峰的等离了共振频移；磁有序态向磁无序态转化，超导相向正常相的转变；非导电材料的导电性出现等「又例如，金属的熔点会明显降低，如普通金属金的熔点是1337K

5、,当金的颗粒尺寸减小到2nm时，金属粒熔点降低到600K。这些特征的发现，使人们可以利用它來改变以往的粉末冶炼工艺，可通过改变颗粒大小控制材料吸收波长的位移，从而制的具冇一定吸收频宽的纳米吸波材料，口J用于电磁波屏蔽、隐形飞机等领域。另外还可以根据这一效应设计出许多优越特性的器件等。(1)表面效应表面效应是指纳米颗粒的表面原子与总原子数之比随着纳米颗粒尺寸的减小而大幅度增加，颗粒表面结合能亦随之增加，从而引起纳米颗粒性质变化的现象。纳米颗粒尺寸小，表面能高，位于表面的原子占相当大的比例。随着粒径的减小，表面原子百分数

6、迅速增加。表1.1给出了铜纳米颗粒尺寸与表面原子数的关系。表1.1铜纳米颗粒尺寸与表而原了数的关系Tab.1.1TherelationshipofCunanoparticlesizeone!surfaceatoms颗粒直径/nm原子总数N表面原子百分数/%202.5*10510103.0*1042054.0*1034022.5*1028013099曲表1.1可知，当铜纳米颗粒的粒径为20nm时，表面原子数占完整颗粒的10%,而当颗粒粒径降到lum时,表面原子数比例高达99%,原子几乎全部集中到纳米粒子的表面。这样高的

7、比表面，使得处于表面的原子数越来越多，同吋表面能迅速增加。众所周知，纳米材料的表面原子与内部原子所处的晶体场环境、综合能不同，出于表面原子周围缺少相邻的原子，存在许多悬空键，具冇不饱和性，易于其他原子结合而稳定下來，因而纳米颗粒表现出很高的化学活性。例如，金属纳米粒子暴露在空气中会燃烧，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。利用这一性质，人们可以在许多方面使用纳米材料來提高材料的利用率和开发纳米材料的新用途，如提高催化效率、吸波材料的吸波率、杀菌剂的效率等。(2)量子尺寸效应当纳米粒子尺寸下降到某一值

8、时，金属费米能级(FermiLevel)附近的电子能级由准连续能级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而使能源(EnergyGap)变宽的现象均称为量子尺寸效应。能带理论表面，金属费米能级附近电子能级一般是连续的，这一点只冇在高温或宏观尺寸情况下才成立。而对于只有有限个导电电子的纳米粒