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二氧化钛纳米管阵列的金属掺杂改性及人工神经网络对其形貌的预测分析-材料物理与化学专业论文
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第一章 绪论
1.1 引言
材料是人类征服自然、改造自然以及生存和发展的物质基础,更是现代文明的重要 支柱。纵观人类社会发展史,从石器时代、青铜器时代到铁器时代社会进步的不同阶段 都是以人类使用材料的水平和种类来划分。这表明,生产技术的革命都是随着材料科学 技术的重大突破而出现的,这就使社会发展的进程迅速增加,人们的生活也会由此发生 巨大的改变。
1959 年,R-Feynman 作为诺贝尔奖获得者、理论物理学家在美国物理年会上讲到[1]: “制造更小工具的小工具可以用大工具制造出来,直到得到刚好能够直接操纵原子和分 子的工具,这就说明化学会成为这样一件事情:每个原子都可以按照人的意愿被安排, 当可以在很小的尺度上对物质的构造进行控制时,将可以获得许多新的材料特性——如 果能在原子和分子水平上制造材料和器件,就会有激动人心的崭新发现”。Feynman 的 这段话,预测了纳米科学与技术的美好前景。
纳米材料主要表现出来如下四种特殊性能:
(1) 小尺寸效应[2]:当颗粒的尺寸小到一定程度,其性质可能发生很大的变化。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。当颗粒尺寸小于或者等 于电子的德布洛意波长时,将破坏晶体的周期性边界条件,那么,颗粒的一些性能如磁 性、内压、光吸收、热阻、化学活性、催化性及熔点等与普通粒子有很大不同,这就是 小尺寸效应。
(2) 表面效应[3]:指纳米晶粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后 所引起的性质上的变化。随着晶粒的减小,表面原子的百分含量增加,例如当粒径为 10nm 时,表面原子数为完整晶粒原子总数的 20%,然而当粒径为 1nm 时,其表面原子 百分数增大到 99%,此时所有的原子几乎全部集中在表面。由于表面原子环境与内部原 子不相同,它周围有许多悬空键,具有不饱和性,这就使得容易与其它原子相结合而稳 定下来,晶粒减小的结果就是其表面积、表面能及表面结合能都立刻增大,由此具有了 很高的化学活性。
(3) 量子尺寸效应[4]:尺寸减小到一定数值时,Femi 能级附近的能级由准连续变为 离散能级,吸收光谱阈值向波长较短方向移动,以上所述的现象即为量子尺寸效应。纳 米材料的分立能级中的电子的波动性导致纳米材料具有一系列特殊性质,例如如特异性 催化、高度光学非线性、光催化、强还原性和氧化性(例如半导体纳米晶粒粒径减小,
分立能级间距增大,光生电子具有更负的电位,这就表现出了更强的还原性,与此同时,
光生空穴具有更正的电位,也就表现出了更强的氧化性。
(4) 宏观量子隧道效应[5]:微观粒子的贯穿势阱的能力被称为隧道效应。近年来, 人们发现一些宏观量也具有隧道效应,例如:微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁 通量以及电荷等,它们可以穿越宏观系统的势阱而产生变化,故称之为宏观的量子隧道 效应,纳米镍晶粒在低温下继续保持超顺磁性现象可以用此概念进行定性的解释。微电 子器件进一步微型化的极限也是由该效应与量子尺寸效应一起确定的,相同的情况例 如:采用磁带磁盘进行信息储存的最短时间也就被限定了。
(5) 介电限域效应[6]:微粒性质将会随着纳米晶粒粒径的不断减小和比表面积不断 增加而发生改变。例如,把某种介电常数较小的介质修饰在半导体纳米材料表面时,它 比裸露纳米材料的光学性质发生了较大的变化,这种变化是由于被包覆的纳米材料中电 荷载体的电力线更易穿过这层包覆膜而引起的,这种现象就是介电限域效应。如果纳米 材料的介电常数与介质的介电常数相差较大时,就会由此产生介电限域效应,此时,带 电粒子间的库仑作用力变大,结果电子-空穴对之间的结合能和振子强度
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