第二讲 纳米材料(1).ppt

* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * （1）小尺寸效应 超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏；纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小，导致材料的声、光、电、磁、热力学等物性呈现新的小尺寸效应。 * 可将超过临界尺寸的纳米粒子应用于磁性信用卡、磁性钥匙、磁性车票等，还可以制成磁性液体，广泛地用于电声器件、阻尼器件、旋转密封、润滑、选矿等领域。 * 磁性信用卡 阻尼器件 小尺寸效应对陶瓷的韧化十分重要。纳米碳化硅的断裂韧性比常规材料提高100倍，这是由于纳米超微粒制成的固体材料具有大的界面，界面原子排列相当混乱。原于在外力变形条件下自己容易迁移，因此表现出甚佳的韧性与一定的延展性，使陶瓷材料具有新的力学性能。 * 增韧陶瓷 利用等离子共振频率随颗粒尺寸变化的性质，可以改变颗粒尺寸，控制吸收边的位移，制造具有一定频宽的微波吸收纳米材料，可用于电磁波屏蔽、隐形飞机等。 * 隐型飞机 （2）表面效应 纳米微粒表面原子数随粒径减小而大幅增加，粒子的表面能及表面张力随着增加，引起纳米粒子性质的变化；纳米粒子的表面原子所处晶体场环境及结合能与内部原子不同，存在许多空键，具有不饱和性质，活性很高，极易与其他原子相结合而趋于稳定，形成纳米材料的表面效应。 * 由于纳米粒子尺寸小，界面所占的体积百分数可与纳米微软所占的体积分数相比拟，界面此时就不能简单地看成是一种缺陷，它已成为纳米材料基本构成之一，对材料性能的影响起着举足轻重的作用． * 粉末粒径(nm) 100 20 10 5 2 1 比表面积(m2/g） 6.6 — 90 180 450 900 表面原子数(%) — 10 20 40 80 99 粉末比表面积和表面原子数随粉末粒径变化趋势 纳米微粒的熔点远低于块状金属。例如2nm的金熔点为600K，而块状金为1337K，此特性为粉末冶金业提供了新工艺。由于纳米微粒尺寸小，表面能高，在较低温度下烧结就能达到致密化。 常规氧化铝烧结温度在1973K-2073K，纳米氧化铝可在1423K至1673K烧结，致密度达99.0％以上。 常规氮化硅炔结温度高于2073K，纳米氮化硅烧结温度可降低300-400K。 纳米氧化钛在1273K呈现出明显致密化，比大晶粒样品低873K就能达到类似烧结硬度。 * （3）量子尺寸效应 当粒子尺寸下降到某一值时．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以及纳米半导体微粒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而使能隙变宽现象均称为量子尺寸效应。 * 一是宽频带强吸收。当尺寸减小到纳米级时，它们对可见光的反射率极低，各种金属纳米微粒几乎都呈黑色。纳米颗粒对红外有一个宽频带强吸收谱，这是因为纳米粒子大的比表面导致平均配位数下降．不饱和键和悬键增多，没有一个单一的、择优的键振动模，而存在一个较宽的键振动模的分布，在红外光场作用下出现红外吸收带的宽化。 * 二是蓝移现象。与大块材料相比，纳米微粒的吸收带普遍存在“蓝移”现象：即吸收带移向短波方向。纳米碳化硅颗粒和大块碳化硅固体的峰值红外吸收频率分别是814cm-1和794cm-1。纳米碳化硅颗粒的红外吸收频率较大块固体蓝移了20cm-1。利用这种蓝移现象可以设计波段可控的新型光吸收材料。 * 三是纳米微粒出现常规材料不具备的新发光现象。日本佳能公司在6nm大小的硅颗粒中在室温中观察到波长为800nm附近有一强的发光带；尺寸减小到4nm，发光带的短波侧已延伸到可见光范围，淡淡的红光使人们长期追求硅发光的努力成为现实，硅可能成为跨世纪的光电子材料。 * Si基发光材料荧光光谱 发光Si器件 （4）宏观量子隧道效应 微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。近年来，人们发现一些宏观量，例如微颗粒的磁化强度，量子相干器件中的磁通量等亦具有隧道效应，称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重要意义。早期就被用来解释超细镍微粒在低温继续保持超顺磁性。它限定了磁带、磁盘进行信息贮存的时间极限，相当于确立了现存微电子器件进—步微型化的极限，量子尺寸效应、隧道效应将是未来微电子器件的基础。 The End * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * STM是目前为止进行表面分析的最精密的仪器之一，可以直接观察到原子。它的横向分辨率可以达到0.1nm，