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蒸汽冷凝法制备纳米颗粒物理学院 091120***引言20世纪80年代末以来，一项令世人瞩目的纳米科学技术正在迅速发展。纳米科技将在21世纪促使许多产业领域发生革命性变化。关注纳米技术并尽快投入到与纳米科技有关的研究，是本世纪许多科技工作者的历史使命。纳米材料与宏观材料相比具有以下的一些特殊效应。1.小尺寸效应纳米材料的尺度与光波波长、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，宏观晶体的周期性边界条件不再成立，导致材料的声、光、电、磁、热、力学等特性呈现小尺寸效应。例如各种金属纳米颗粒几乎都显现黑色，表明光吸收显著增加；许多材料存在磁有序向无序转变，导致磁学性质异常的现象；声子谱发生改变，导致热学、电学性质显著变化。2.表面效应以球形颗粒为例，单位质量材料的表面积（称为比表面积）反比于该颗粒的半径。因此当半径减小时比表面积增大。例如将一颗直径１μｍ的颗粒分散成直径10ｎｍ的颗粒，颗粒数变为100万颗，总比表面积增大100倍。表面原子数比例。表面能等也相应地增大，从而表面的活性增高。洁净的金属纳米微粒往往会在室温环境的空气中燃烧（表面有薄层氧化物时相对稳定），这是必须面对的问题，但是反过来也为优良的催化剂提供了现实可能。3．量子尺寸效应传统的电子能带理论表明，金属费米能级附近电子能级是连续的。但是按照著名的久保（kubo）理论，低温下纳米微粒的能级不连续。相邻电子能级间距与微粒直径相关（1）式中Ｎ为一个微粒所包含的导电电子数，为费米能（2）式中为普朗克常数，m为电子质量，n为电子密度。若将微粒简单地看作球形的，则近似地（3），ｄ为直径。由此可见随着微粒直径变小，电子能级间距变大。久保理论中提及的低温效应按如下标准判断，即只在时才会产生能级分裂，式中为玻尔兹曼常数，T为绝对温度。这种当大块材料变为纳米微粒时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象称为量子尺寸效应。当能级间距大于热能、磁能、静磁能、静电能、光子能量或超导态的凝聚能时，微粒的磁、电、光、声、热以及超导电性均会与大块材料有显著不同。以Cu纳米微粒为例，其导电性能即使在室温下也明显下降。对于半导体微粒，如果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，能隙变宽现象等亦称为量子尺寸效应。4.宏观量子隧道效应电子具有粒子性又具有波动性，因此存在隧道效应。隧道效应是基本的量子现象之一，即当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒。近年来，人们发现一些宏观物理量，如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦显示出隧道效应，称之为宏观的量子隧道效应。宏观量子隧道效应的研究对基础研究及实用都有着重要意义。它限定了磁带、磁盘进行信息贮存的时间极限。量子尺寸效应、隧道效应将会是未来微电子器件的基础, 或者它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限。当微电子器件进一步细微化时 , 必须要考虑上述的量子效应。例如，在制造半导体集成电路时，当电路的尺寸接近电子波长时，电子就通过隧道效应而溢出器件，使器件无法正常工作，经典电路的极限尺寸大概在0.25微米。目前研制的量子共振隧穿晶体管就是利用量子效应制成的新一代器件。此外，近十多年来，尚有“库仑堵塞与量子隧穿”，“介电限域效应”等新效应被发现。上述各种效应使得纳米材料呈现出与宏观材料显著不同的特性，甚至出现一些反常的现象，更加吸引着人们开拓和探索这一引人入胜的学科领域。在整个纳米科技的发展过程中，纳米微粒的制备和微粒性质的研究是最早开展的。时至今日，纳米科技的领域已经迅速地扩大和深入，但要进入纳米领域，最好还是从纳米微粒的制备与测量起步。实验目的 1 学习和掌握利用蒸气冷凝法制备铜纳米颗粒的基本原理和实验方法，研究微粒尺寸与惰性气体气压之间的关系。 2 了解利用电子成像法、X射线衍射峰宽法或其他方法测量威力的粒径实验原理利用宏观材料制备微粒，通常有两条途径，一种是由大变小，即所谓粉碎法；另一种是由小变大，即由原子气通过冷凝、成核、生长过程，形成原子簇进而长大为微粒，称为聚集法。本实验采用气相法（聚集法）中的蒸气冷凝法制备铜纳米颗粒。图1 蒸气冷凝法原理A. 原材料的蒸气； B. 初始成核； C. 形成纳米颗粒； D. 长大了的纳米微粒； E. 惰性气体，气压约为kPa数量级； F. 纳米微粒收集器； G. 真空罩； H. 加热钨丝； I. 电极图1显示蒸汽冷凝法制备纳米颗粒的过程。首先利用抽气泵对系统进行真空抽吸，并利用惰性气体进行置换。惰性气体为高纯度的Ar、He等，有些情形也可以考虑采用气。经过几次置换后，将真空反应室内保护气的气压调节控制至所需的参数范围，通常为0.1kPa至10kPa范围，与所需粒子粒径有关。当原材料被加热至蒸发温度时（此温度与惰性气体压力有关，