纳米效应与纳米材料制备.doc

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1、纳米效应与纳米材料制备—、纳米效应1•小尺寸效应：在材料的尺寸小于光学波长后，材料的分子原子尺寸所具有的量子效应所占的比重增大，宏观下具有的性质减少，德布罗意波、电子IH由程、超导临界状态耦合波长、界面等发生转变。例如金属的熔点在宏观体积吋熔点儿乎不变，而当金属尺寸接近纳米尺寸时，熔点急剧降低，理论上的极限为当体积是原子大小吋，其熔点就为零。其它许多材料的性质也会在尺寸接近纳米时发生转变。2.量子尺寸效应：量子力学中微观粒子符合费米-狄拉克分布或者波色-爱因斯坦分布，而原子周囤的电子符合费米分布，也即电子的占据状态只有在费米能级处发生1到0的

2、转变，而不是符合传统的麦克斯韦分布。故材料接近纳米尺寸时，具有量子效应，存在库伯能隙与费米能级之间的关系8=4x^ocV-即费O/V米能级的大小与库伯能隙成正比，与量子数成反比，与体积成反比。室温下热运动的能量量级为可kT,库伯能隙6与kT之间满足，5=0为宏观金属；6kT为热运动激发不了自由电子的绝缘体。3.表面效应：原子的大小是处于0.lnm的量级，且相差不大的，在材料的尺寸接近nm时，根据数学计算可矢口叫/叫的比例会迅速增大。由于表而的原子配位数低，能量较高

3、，较活跃，易于反应。故纳米材料的单体质量能量也升高，性质活泼、易反应、易团聚。4.宏观量子隧道效应：是如电子等微观粒子能够穿过它们木来无法通过的“墙壁”的现象。这是因为根据量子力学，微观粒子具有波的性质，而有不为零的概率穿过位势障壁。在宏观物体屮，由于尺寸较大，造成势能的势井较宽，量子穿过的概率非常小，儿乎可以理解为不能穿过。当尺寸缩小到纳米级别吋，量子穿过的概率也就迅速增大，从而可以穿过势井的量子数量比不可以被忽略，从而影响了整个纳米材料的效应。5.热效应：札I同温度时，纳米材料的热容大于宏观材料。材料尺寸接近纳米时，满足5=4x^ocy-

4、1,库伯能隙增大，从而每一个外层电子具有的能量增3N大，从而激发同样的电子数，所需要的能量升高。其实就是电子符合费米-狄拉克分布，只有外层处于费米能级的电子才能参与热容的变化，而处于费米能级处的电子能量高于传统的麦克斯韦分布参与热容变化的所有电子的能量的平均，故可以容纳更多的能量，从而相同温度时，纳米材料的热容较大。6.磁效应：材料的磁性来自于电子的精密结构小电子的自旋。因为电子占据原子轨道符合泡利不相容原理，故当电子数成单时，价态电子存在成单电子，从而电子自旋导致的磁矩表现出磁性。宏观的材料在没有外加磁场进行充磁时，多为多畴的材料，随着材料

5、尺寸的减小，依次可出现双畴、单畴、超顺磁性的材料。磁性矫顽力的大小满足Hcocd-3,若粒子足够小，磁矩由于热扰动血没有择优取向。7.电子效应：电子的传递一-般遵从两种方式，间隙机制与空位机制。而当材料的尺寸达到纳米级别吋，在某一横截面上，其内部的间隙或空位的数量接近于1,而电子传递只能从间隙或者空位经过，故血电子传递会有规则的一•个i个输送。2.光学效应：在材料尺寸接近纳米吋，材料吸收的特征光谱会发生红移和蓝移。根据材料表而的张力满足§=学，故表面原子的能量会升高，原子间距与能量成反比，原子间距减小。根据材料吸收电磁波时，满足s=g时会发生

6、衍射，而此时会满足布拉格定律2dsin0=nA,故当n>8取相同值时,docA,故外部的原子数量较多吋，吸收的波长偏小，发生蓝移。而能不的原子能量低，原子间距较大，会发生红移。二、纳米材料的制备1物理方法1.1真空冷凝法：用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料气化或形成等粒子体，然后骤冷。其特点纯度高、结晶组织好、粒度可控，但技术设备要求高。1.2物理粉碎法：通过机械粉碎、电火花爆炸等方法得到纳米粒子。其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。1・3机械球磨法：采用球磨方法，控制适当的条件得到纯元素、合金或复合材料的纳米粒子。其特

7、点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。1.4加热气相沉积1.5等离子激发气相沉积1.6激光消除沉积2化学方法2.1气相沉积法：利用金属化合物蒸气的化学反应合成纳米材料。其特点产品纯度高，粒度分布窄。2.2高温分解与热沉积、分解反应、氧化反应、复分解反应、歧化反应、可逆反应。3液相合成方法3.1沉淀法：把沉淀剂加入到盐溶液屮反应后，将沉淀热处理得到纳米材料。其特点简单易行，但纯度低，颗粒半径大，适合制备氧化物。3.2水热合成法：高温高圧下在水溶液或蒸汽等流体屮合成，再经分离和热处理得纳米粒子。其特点纯度高，分散性好、粒度易控制。3.

8、3溶胶凝胶法：金属化合物经溶液、溶胶、凝胶而同化，再经低温热处理而生成纳米粒子。其特点反应物种多，产物颗粒均一，过程易控制，适于氧化物和II〜VT族化合物的制备。3