中科院纳米材料课件04.pdf

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1、纳米材料的奇异性能纳米材料的特殊性能是由于纳米材料的特殊结构，使之产生量子效应、小尺寸效应、表面效应等，从而具有传统材料所不具备的物理、化学性能。由于纳米材料在磁、热、光、电、催化、生物等方面具有奇异的特性，使其在诸多领域有着非常广泛的应用前景，并已经成为当今世界科技前沿的热点之一。第四章纳米材料的物理性能第一节结构与形貌第二节热学性能第三节电学性能第四节磁学性能第五节光学性能第一节纳米微粒的结构与形貌Morphology,shapeandsize•Morphology:theshapeandsizeofthepa

2、rticlesmakinguptheobject.•形貌，形状，尺寸(a)CoWC,(b)CoNiWCand(c)NiWCx0.50.5xxAgInPnanocrystals.AgNanoparticlesNiStriangularnanoprismsPbSe9nmFePtnanocrystalsxyCoPtNanospheresCdSequantumdots(left)andnanorodsGaO、GaN空心球23BaCrOnanorods.4multiplayernanorodsZnOnanoflowersDe

3、ndrimer-likeGoldNanoparticle第二节热学性能•纳米颗粒的熔点下降•纳米颗粒的开始烧结温度降低•纳米颗粒的晶化温度降低2.1.纳米颗粒的熔点下降由于颗粒小，纳米颗粒的表面能高、比表面原子多，这些表面原子近邻配位不全，活性大以及体积远小于大块材料的纳米粒子熔化时所需要增加的内能小得多，这就使纳米微粒熔点急剧下降。金的熔点：1064oC；2nm的金粒子的熔点为327oC。银的熔点：960.5oC；银纳米粒子在低于100oC开始熔化。铅的熔点：327.4oC；20nm球形铅粒子的熔点降低至39oC

4、。铜的熔点：1053oC；平均粒径为40nm的铜粒子，750oC。金纳米颗粒的粒径与熔点的关系2.2.开始烧结温度下降所谓烧结温度是指把粉末先用高压压制成形，然后在低于熔点的温度下使这些粉末结合成块，密度接近常规材料的最低加热温度。纳米颗粒尺寸小，表面能高，压制成块材后的界面具有高能量，在烧结中高的界面能成为原子运动的驱动力，有利于界面中的孔洞收缩，空位团的湮灭，因此，在较低的温度下烧结就能达到致密化的目的，即烧结温度降低。2.3.NPs晶化温度降低非晶纳米颗粒的晶化温度低于常规粉末，且纳米颗粒开始长大温度随粒径的

5、减小而降低。不同原始粒径的纳米AlO微粒的23粒径随退火温度的变化曲线熔点降低、烧结温度降低、晶化温度降低等热学性质的显著变化来源于纳米材料的表（界）面效应。第三节电学性能电导、电阻是常规金属和合金材料的两个重要的性能。纳米材料的出现，使人们对电导(电阻)的研究又进入了一个新的层次。目前对纳米材料电导(电阻)的研究尚处于初始阶段。3.1纳米金属与合金的电阻特性1.与常规材料相比，Pd纳米相固体的比电阻增大；2.比电阻随粒径的减小而逐渐增加；3.比电阻随温度的升高而上升我们曾计算过：对于14nm以下的Ag颗粒来说，当

6、T＝1K时，会表现为绝缘体。根据物理学知识：电阻R电阻率ρ与温度的关系为：R=R(1+αT)0ρ=ρ(1+αT)0常规金属或合金的电阻温度系数（α）为正值，4.随粒子尺寸的减小，电阻温度系数逐渐下降。电阻的温度变化规律与常规粗晶基本相似，差别在于温度系数强烈依赖于晶粒尺寸。Agd=18nm→11nmα：”+”→”-“室温以下纳米Ag的电阻随温度的变化情况。随着尺寸的不断减小，温度依赖关系发生根本性变化。当粒径为11nm时，电阻随温度的升高而下降。5.当颗粒小于某一临界尺寸时（电子平均自由程），电阻的温度系数可能会由

7、正变负，即随着温度的升高，电阻反而下降（与半导体性质类似）.电子在晶体中传播由于散射使其运动受阻，而产生电阻。纳米材料的电阻来源可以分为两部分：颗粒组元（晶内）：当晶粒大于电子meanfreepath时主要来自晶内散射界面组元（晶界）：晶粒尺寸与电meanfreepath相当时，主要来自界面电子散射纳米材料中大量的晶界存在，几乎使大量电子运动局限在小颗粒范围。晶界原子排列越混乱，晶界厚度越大，对电子散射能力就越强。界面的这种高能垒是使电阻升高的主要原因。总之：纳米材料体系的大量界面使得界面散射对电阻的贡献非常大，当

8、纳米材料尺寸非常小时，这种贡献对总电阻占支配地位。当粒径低于临界尺寸时，量子尺寸效应造成的能级离散性不可忽视，最后温升造成的热激发电子对电导的贡献增大，即温度系数变负。金属纳米颗粒材料的电阻增大的现象主要归因于小尺寸效应。第四节磁学性能许多生物体内就有天然的纳米磁性粒子，如磁性细菌，蜜蜂，螃蟹，海龟，人的大脑等向磁性细菌1975年即发现向磁性细菌---体内有