纳米材料的磁学性质及其应用

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1、纳米材料及磁性纳米材料的性质与应用学院材料科学与工程姓名贺双学号20110790班级110207指导老师迟悦纳米材料及磁性纳米材料的性质与应用前言：纳米材料是最早诞生的纳米科技领域的学科分支。1990年7月在美国巴尔基摩召开的国际第一届纳米科技会议上就把纳米材料作为最有活力、发展最快的纳米科学分支写入大会的文件中。1991年我国著名科学家钱学森就曾经有这样的预言：纳米和纳米以下的结构将是下一世纪发展的重点，会是一次技术革命。正如其言，进入二十一世纪，纳米材料米迅速成为今世界最有前途的决定性技术。文章简要地概述了纳米材料在力学、

2、磁学、电学、热学、光学和生命科学等方面的主要应用，并简单展望了纳米材料的应用前景。摘要：本文主要讨论纳米材料的性质和应用，重点介绍纳米材料的磁性在医学，催化剂以及电子器件等的应用。在其他方面的应用，仅供才考。1.纳米材料的构成纳米是一个尺度的度量，纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围（小于100nm）或由它们作为基本单元构成的材料。它的尺寸大于原子簇而小于通常的微粉，处原子簇和宏观物体交界的过渡区域。目前,国际上将处于1～100nm尺度范围内的超微颗粒及其致密聚集体,以及由纳米微晶所构成材料,统称之为纳米材料,包

3、括金属、非金属、有机、无机和生物等多种粉末材料。它们是由2～106个原子、分子或者离子构成的相对稳定的集团,其物理和化学性质随着包含的粒子数目与种类而变化。纳米材料的颗粒尺寸是肉眼和一般显微镜看不到的微小粒子,只能用高倍电子显微镜进行观察。2.纳米材料的特性2.1.小尺寸效应，小尺寸效应，又称体积效应，当纳米粒子的尺寸与传导电子的波长及超导态的相干波长等物理尺寸相当或更小时，周期性的边界条件将被破坏，熔点、磁性、光吸收、热阻、化学活性、催化性等于普通粒子相比有很大变化。由于纳米粒子体积极小,所包含的原子数很少。因此,许多现象如

4、与界面状态有关的吸附、催化、扩散、烧结等物理、化学性质将显著与大颗粒传统材料的特性不同,就不能用通常有无限个原子的块状物质的性质加以说明,这种特殊的现象通常称之为体积效应。2.2.表面效应纳米材料的表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化表面效应。对球体来说，其表面积和直径的平方成正比，体积与直径的三次方成反比，故球体体积比便面积和直径成反比，即球体的比表面积随直径的增大而减小，即便面积显著增大。如当粒径降至10nm时，表面原子所占的比例为20%，而粒径为1nm时，几乎全部原子

5、都集中在粒子的表面，纳米晶粒的减小结果导致其表面积、表面能及表面结合能的增大，并具有不饱和性质，表现出很高的化学活性。如金属纳米粒子熔点大大降低，在空气中易自燃。无机材料的纳米粒子在大气中会吸咐气体并与之反应。2.3.量子尺寸效应量子尺寸效应，该效应指微粒尺寸下降到或小于某一值（如波尔半径）时，费米能级附近的电子能级由准连续能级变为离散能级的现象。纳米微粒存在不连续的被占据的高能级分子轨道，同时也存在未被占据的最低的分子轨道，能级间隙随着颗粒尺寸的减小而增大。能级间距符合下边的久保理论给出：δ=1/3（EF/N）δ为能级间距，

6、EF为费米能级，N为总电子数。对于宏观物体电子数可视为无穷，能级按时连续的，当两字尺寸减小，N减小，δ才显现出来。δ较小时，微米颗粒可能是半导体，当δ较大时，微粒可乐可能就是绝缘体了。能级简并发生分裂。当热能、电场能或磁能比平均的能级间距还小时,就会呈现一系列与宏观物体戳然不同的反常特性,即量子尺寸效应。纳米材料中处于离散的量子化能级中的电子的波动性使纳米材料具有一系列特殊性质，如特异性催化，强氧化性和还原性，颜色转变等等，如CdS微粒由黄色变成浅黄色。2.4宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应，由于微观粒子的波动性，微观粒子具有

7、贯穿势垒的能力成为隧道效应。磁化的纳米粒子具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化（即宏观量子隧道效应）。近年来人们发现，一些宏观物理量如磁化强度，量子相干器件的磁通显现出隧道效应。量子尺寸效应和量子隧道效是微电子，光电子器件的理论基础。2.5.其他特性纳米材料处理上述特性外，还有其他特性。催化性质，纳米粒子晶粒体积小，比表面积大，表面活性中心多，其催化活性和选择性大大高于传统催化剂；化学反应性质，纳米材料表面原子数多，吸附能力强，表面反应活性高；之外，纳米材料还具有硬度高、可塑性强、高比热和热膨胀、高电率、高扩散性

8、、烧结温度低、烧结收缩比大等性质。这些性质为其应用奠定了广阔前景。3.纳米材料的磁学特性纳米微粒的小尺寸效应、量子尺寸效应，表面效应等使他具有常规材料无法具的特异性：3.1.超顺磁性：纳米材料的尺寸达到某一临界值时进入超顺磁状态。如Fe3O4和α-Fe2O的临界值分别为16n