特种粉体与器件讲义(第二章).ppt

第一章 粉体特性及表征 超微粉体的性质 颗粒粒径 粒径分布 平均粒径 颗粒形状 颗粒群的堆集性质 粉体表怔 超微粉体特征 表面效应 量子尺寸效应和量子隧道效应 光学性质 电学性质 磁性性质 热学性质 催化性质 表面效应 固体材料的表面原子与内部原子所处的环境不同 　　　粒径d＞原子直径，表面原子可忽略 　　　粒径d≈原子直径，表面原子起关键作用，表面积、表面能发生很大变化 　　　由此引起的种种特异效应统称为表面效应 随着材料粒径的减小，表面原子数迅速增加。例如，粒径10nm，表面原子数占原子总数的20%；1nm时，其表面原子百分数增大到99% 球状颗粒Sv∝1/d. 对于直径1nm的微粒,堆积于1mL容器中,比表面积约1个足球场的面积 体内原子受到对称周围原子的作用力,表面原子是非对称性, 它受体内原子单方面吸引力,表面原子的能量大于体内原子 超微粉体特殊的电学、光学、磁学、催化、热学等性质很大程度上与其比表面积大、表面能高这一表面效应有关 量子尺寸效应 热能kT即使在室温温度300K，仅为0.025eV． 　d≤10nm,即使在室温条件下，热激发也难以改变其电中性状态． 呈现量子尺寸效应的条件：分裂的能级间距应大于热能(kT)、静磁能(u0uBH) 、静电能（edE)、光子能量（hv)等 宏观量子隧道效应 宏观物体，当动能低于势能的能垒时，根据经典力学规律是无法逾越势垒的 对于微观粒子(如电子)，即使势垒远较粒子动能高，量子计算力学表明，粒子的态函数在势垒中或势垒后均非零，这表明微观粒子具有进入和穿透势垒能力，称为隧道效应 研究镍超微粒子的超顺磁性时，按奈耳观点，热起伏可导致磁化方向的反转，设反转磁化克服的势垒为U 磁化反转率P∝exp[-U/kT). （ T↓, P↓）　 T≈0, 或者反转磁化弛豫时间τ= τ0exp [U/kT) ≈∞，超顺磁性将转化为铁磁性 研究发现：对纳米镍微粒在4.2K仍然可处于超顺磁状态（可能的解释是低温下存在某种隧道效应） 产生隧道效应的原因：量子力学的零点振动可在低温下起类似于热起伏的效应，从而使绝对温度超微颗粒的磁化矢量重新取向，保持有限的弛豫时间 从量子力学文策－克拉茂－布里渊近似出发可求出临界温度T0. T ≤T0 ,量子隧道效应占主导, T0与居里温度Te比 　T0/Te ∝a/2r (a为自旋间距离, r为颗粒半径) 未来微电子基础：量子尺寸效应和宏观隧道效应 电学性质 当金属微颗粒镶嵌于介质中,有效介电常数与所含金属微颗粒的体积分数f ? 光学性质 当金属微粒尺寸小于一定值时,由于对光波的全吸收通常呈现黑色 超微颗粒除了对光波的吸收作用外，还有散射作用 对于小于光波长十分之几的超微分散颗粒,散射光的强度I∝1/λ4,因此太阳光经大气中尘埃的散射呈现蓝色 消光系数γ∝V0与∝ N/V ε1+2εm=0, γ最大，金属呈现绚丽的色彩 超微金属颗粒对光的反射率通常低于1%，对于太阳光谱似乎具有全吸收性质，又称太阳黑体 　 黄金Au→黑色，银白色Pt变为Pt黑 半导体Si和Ge都属于间接带隙半导体材料，通常情况下难以发光，粒径减小到4nm以下时，因能带结构的变化，有明显的可见光发射现象，且d ↓ ，发光强度↑，光谱蓝移 纳米CdS、SnO2、Al2O3、TiO2和TiO2等也具有高度的光学非线性 磁学性质 通常磁性材料的磁结构是由许多磁畴构成的，畴间由畴壁(通常在0.1um)分隔开，通常畴壁运动实现磁化 当粒径小于畴壁厚度时, 颗粒呈现单磁畴结构,矫顽力显著增长。纳米Fe和Fe2O3单磁畴临界尺寸分别为12nm和40nm 微粉永磁体：超微颗粒高矫顽力的单畴特性 磁性液体：超微颗粒矫顽力为零的超顺磁性 磁性超微粉体应用广泛 磁记录材料：γ-Fe2O3, Co- γ-Fe2O3, FeCo金属，CrO2、 Fe4N等铁氧体微粉 磁性液体应用的有Fe3O4等各种纳米铁氧体微粉以及铁、镍、钴及其合金纳米微粉 热学性质 固态物质在其形态为大尺寸时, 其熔点是固定的, 超细微化后却发现其熔点将显著降低,当颗粒小于10nm量级时尤为显著 根据经典理论, 半径为r的微粒, 其熔点Tm (r)与大块材料熔点Tm(∞)之比可用下式表示： 　 超微熔点降低的现象具有其实际的应用价值, 采用超微粉体有利于陶瓷、高熔点金属粉末的烧结 金的常规熔点为1064℃ ，当颗粒尺寸减小到10nm时，则降低27℃，2nm时的熔点仅为327 ℃左右 银的常规熔点为670℃ ，而超微银颗粒的熔点可低于100℃ 超细银粉制成的导电浆料可以进行低温烧结，此