纳米材料的分类及特性

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1、纳米材料的分类及特性1959年，美国著名物理学家、诺贝尔物理学奖获得者费因曼教授(RP.feyn-man)曾指出：“如果有一天人类能够按意志安排一个原子和分子，那将会产生什么奇迹？”今天，这个美好的愿望已经成为现实，目前，人类已经能够制备出包括有几十个到几万个原子的纳米颗粒，并把它们作为基本单元构造一维量子线、二维量子面和三维纳米固体，创造出相同物质传统材料完全不具备的奇特性能，这就是面向21世纪的纳米科学技术。近20年以来，人类已经发现，在微观到宏观的中间物质出现了许多既不同于宏观物质，也不同于微观体系的奇异现象，这就是现在迅速发展的纳米科学技术(NanoScienceandTechnolo

2、gy)。纳米材料的研究最初源于19世纪60年代对胶体微粒的研究，20世纪60年代后，研究人员开始有意识的通过对金属纳米微粒的制备和研究来探索纳米体系的奥秘。1984年，德国萨尔布吕肯的格莱特(Gleiter)教授把粒径为6nm的金属铁粉原位加压制成世界上第一块纳米材料，开创纳米材料学之先河。20世纪90年代以来，准一维纳米材料的研制一直是纳米科技的前沿领域。目前，美国在合成、化学和生物方面处于领先，日本在器件和结构方面具有优势，欧洲在弥散、涂覆和新型仪器方面实力较强。“纳米”(nanometer)是一种度量单位，1纳米为百万分之一毫米，即1毫微米，也就是十亿分之一米，约相当于45个原子串起来那

3、么长。纳米结构通常是指尺寸在100纳米以下的微小结构。所谓纳米材料，是指粒子尺寸在纳米量级(1nm～100nm)的超细材料，又称作为超细粉体。其纳米基本单元的颗粒或晶粒尺寸至少在一维上小于100nm，且必须具有与常规材料截然不同的光、电、热、化学或力学性能的一类材料体系。纳米材料的奇异性是由于其构成基本单元的尺寸及其特殊的界面、表面结构所决定的。如果按维数，纳米材料的基本单元可以分为以下三类：零维指在空间三维尺度均在纳米尺度，如纳米尺度颗粒、原子团族等；一维指在空间中有二维尺度处于纳米尺度，如纳米丝、纳米棒、纳米管等；二维指在空间中有一维处于纳米尺度，如超薄膜、超晶格等。因为这些单元往往具有量

4、子性质，故零维、一维和二维的基本单元又有量子点、量子线和量子阱之称。纳米材料的分类方法很多，按其结构可分为：晶粒尺寸在三个方向都在几个纳米范围内的称为三维纳米材料；具有层状结构的称为二维纳米材料；具有纤维结构的称为一维纳米材料；具有原子簇和原子束结构的称为零维纳米材料(见图10.10)。按化学组成可分为纳米金属、纳米晶体、纳米陶瓷、纳米玻璃、纳米高分子、纳米复合材料等。按材料物性可分为纳米半导体、纳米磁性材料、纳米非线性材料、纳米铁电体、纳米超导材料、纳米热电材料等。按材料用途可分为纳米电子材料、纳米生物医用材料、纳米敏感材料、纳米光电子材料、纳米储能材料等。纳米材料的特性:纳米材料具有特殊的

5、结构，由于组成纳米材料的超微粒尺度属纳米量级，这一量级大大接近于材料的基本结构——分子甚至于原子，其界面原子数量比例极大，一般占总原子数的50%左右，纳米微粒的微小尺寸和高比例的表面原子数导致了它的量子尺寸效应和其他一些特殊的物理性质。不论这种超微颗粒由晶态或非晶态物质组成，其界面原子的结构都既不同于长程有序的晶体，也不同于长程无序、短程有序的类似气体固体结构，因此，一些研究人员又把纳米材料称之为晶态、非晶态之外的“第三态固体材料”。1.基本物理效应1)小尺寸效应当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以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

6、态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减少，导致声、光、电磁、热力学等物性呈现新的小尺寸效应。小尺寸效应的表现首先是纳米微粒的熔点发生改变，普通金属金的熔点是l337K，当金的颗粒尺寸减小到2nm时，金微粒的熔点降到600K；纳米银的熔点可降低到100℃。由于纳米微粒的尺寸比可见光的波长还小，光在纳米材料中传播的周期性被破坏，其光学性质就会呈现与普通材料不同的情形。光吸收显著增加并产生吸收峰的等离子共振频移，磁有序态向无序态转变等，例如，金属由于光反射显现各种颜色，而金属纳米微粒都呈黑色，说明它们对光的均匀吸收性、吸收峰的位置和峰的半高宽都与粒子半径的倒数有关。利用这一性质，可以通过控制颗粒尺寸制

7、造出具有一定频宽的微波吸收纳米材料，可用于磁波屏蔽、隐形飞机等。2)表面效应表面效应是指纳米粒子表面原子与总原子数之比。纳米微粒尺寸小，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，表面原子数迅速增加，原子配位不足和高的表面能，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。配位越不足的原子，越不稳定，极易转移到配位数多的位置上，表面原子遇到其他原子很快结合，使其稳定化，这就