材料科学专题_第四章_奇妙的纳米世界.doc

纳米科技中的“纳米”为10-9m，用符号表示为nm，是1mm 的100万分之一。 纳米科技是指在纳米尺度(1nm到100nm之间)上研究 (包括原子、分子的操纵)的特性和相互作用，以及利用这特性 的多学科交叉的科学和技术。纳米微粒的尺寸是细菌的几十分之一，与病毒大小相当，必须采用电子显微镜才能观察到。 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或由它们作为基本单元构成的材料。 通常纳米材料是指原子团簇、纳米颗粒、纳米薄膜、纳米管和纳米固体材料等的总称。按照维度分为四类： 零维：指在空间三维尺度均在纳米尺寸，如原子团簇、纳米颗粒等。 一维：指在空间有两维处于纳米尺度，如纳米线、纳米棒、纳米管等。 二维：指在三维空间中有一维在纳米尺度，如超薄膜、多层膜等。 三维：三维空间中含有上述纳米材料的块体。 由于这些单元常常具有量子性质，因此通常对零维、一维和二维的基本单元分别又有量子点、量子线和量子阱之称。 3）纳米复合材料 0-0复合：不同成分、不同相、或者不同种类的纳米粒子 复合而成的纳米固体。 0-2复合：纳米粒子分散到二维的薄膜材料中。又分为均匀弥散和非均匀弥散两大类。 0-3复合：纳米粒子分散到常规的三维固体中。 根据纳米科学技术的研究内涵和特点，其发展历史大致可划分为三个阶段: 第一阶段(1990年以前)主要是在实验室探索用各种手段制备各种材料的纳米颗粒粉体，合成块体(包括薄膜)，研究评估表征的方法，探索纳米材料不同于常规材料的特殊性能。 ?第二阶段(1994年前)人们关注的热点是如何利用纳米材料 挖掘出来的奇特物理、化学和力学性能，设计纳米复合材料，通常采用纳米微粒与纳米微粒复合，纳米微粒与 体复合及发展复合纳米薄膜，国际上通常把这类材料称为纳米复合材料。这一阶段纳米复合材料的合成及物性的探索一度成为纳米材料研究的主导方向。 ?第三阶段(从1994年到现在)纳米结构的组装体系越来越受到人们的关注。它的基本内涵是以纳米颗粒、纳米丝和纳米管为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有一定结构的体系，其中包括纳米阵列体系、介孔组装体系、薄膜嵌镶体系。纳米颗粒、丝、管可以是有序或无序地进行排列。国际上，把这类材料称为纳米组装材料体系或者称为纳米尺度的图案材料。 纳米 结构的组装体系将成为纳米材料研究的主导方向。 纳米结构的组装合成主要包括纳米结构的自组装和人工组装两方面内容。虽然已经取得了许多重果，但纳米量级的尺寸大小及均匀程度的控制仍然是一大难关。 1959年12月，美国物理学会年会上著名物理学家理费曼教授 作了《自底层构造的丰富结构》演讲。看作是纳米科技基本概念的起源。是纳米技术最早的梦想。费曼被称作是“纳米科技之父”。 有些人认为，纳米技术与微米技术相比仅仅是尺寸缩小、精度提高的问题，检验一项技术或产品只要看它是否是纳米量级即可,这种认识是片面的。 纳米级材料性能表现出强烈的尺寸依赖性。 ?当粒子尺寸减小到纳米级的某一尺寸，则材料的物性会发 生突变，与同组分的常规材料的性能完全不同; ?同类材料的不同性能有不同的临界尺寸; ?对同一性能，不同材料相应的临界尺寸也有差异. 纳米材料的四大效应 ?小尺寸效应（体积效应） ?表面与界面效应 ?量子尺寸效应（久保效应） ?库仑堵塞与量子隧穿 1.小尺寸效应 随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。 1)特殊的光学性质 蓝移和红移：与体材料相比，大部分的纳米半导体材料在 吸收带蓝移现象，半导体材料随着颗粒尺寸变化，相应的禁带宽度也发生变化，因此从某种意义上说，可以通过调节颗粒尺寸来调节禁带宽度。 但是从工艺上讲却很难实现，主要是由于难以得到颗粒均匀一致的颗粒，因此呈现出的移动是一个谱带的移动。 但同时小粒子中大的表面张力会造成颗粒内部内应力增 大，相当于一个加压的过程，因此禁带宽度也可能会变小，发生红移。 2)特殊的磁学性质 高矫顽力：一些强磁性颗粒在尺寸减小到十几个纳米时 显著增强，作成高贮存密度的磁记录磁粉。 超顺磁：一些具有强铁磁性的物质在粒子减小到纳米级均变为 超顺磁，原因是在小尺寸下，当保持各项异性的能量减小到可与热运动相比拟时，磁化方向就不再固定于一个易磁化的方向，而作无规则变化，导致铁磁材料 呈现超顺磁。 3特殊的热学性质 熔点降低： 烧结温度降低：烧结温度是指将粉末先高压压制，然后在低于 其熔点温度下将其加热使其结合在一起，达到体材料所能达到的程度。 如将纳米陶瓷退火使晶粒长大到微米量级，又将恢复通 特殊的力学性质 大部分的纳米粒子都表现出超出其体材料的硬度，比如像 C60等，可达到钢的100倍，而对于一些纳米陶瓷，则在提高了其体材料的高硬度的同时还增加了其韧性，使其脆性降低。 2.量子