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纳米材料的特性

美国著名物理学家，1965年诺贝尔物理奖获得者R.PFeynman在1959

年曾经说过：“如果有一天能按人的意志安排一个个原子分子将会产生什么

样的奇迹”，纳米科学技术的诞生将使这个美好的设想成为现实。

纳米材料是纳米科学技术的一个重要的发展方向。纳米材料是指由极细

晶粒组成，特征维度尺寸在纳米量级（1~100nm）的固态材料。由于极细的

晶粒，大量处于晶界和晶粒内缺陷的中心原子以及其本身具有的量子尺寸效

应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应等，纳米材料与同组成的微

米晶体（体相）材料相比，在催化、光学、磁性、力学等方面具有许多奇异的

性能，因而成为材料科学和凝聚态物理领域中的研究热点。

固体材料的光学性质与其内部的微结构，特别是电子态、缺陷态和能级

结构有密切的关系。

纳米结构材料在结构上与常规的晶态和非晶态体系有很大的差别，表现

为：小尺寸、能级离散性显著、表（界）面原子比例高、界面原子排列和键的

组态的无规则性较大等。这些特征导致纳米材料的光学性质出现一些不同于

常规晶态和非晶态的新现象。

1、宽频带强吸收性大块金属具有不同的金属光泽，表明它们对可见光中

的各种波长的光的反射和吸收能力不同。当尺寸减小到纳米级时，各种金属

纳米粒子

几乎都呈黑色，它们对可见光的反射率极低，而吸收率相当高。例如,

Pt纳米粒子的反射率为1%,Au纳米粒子的反射率小于10%。

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纳米SiN、SiC以及AlO粉等对红外有一个宽频强吸收谱。

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不同温度退火下纳米AlO材料的红外吸收谱

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纳米材料的红外吸收谱宽化的主要原因：

(1)尺寸分布效应：通常纳米材料的粒径有一定的分布，不同的颗粒的表面

张力有差异，弓起晶格畸变程度的不同，这就导致纳米材料键长有一

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个分布，造成带隙的分布，这是引起红外吸收宽化的原因之一。

(2)界面效应：界面原子的比例非常高，导致不饱和键、悬挂键以及缺陷非

常多，界面原子除与体相原子能级不同外，相互之间也可能不同，从而

导致能级分布的展宽，与常规大块材料不同,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，对红外光作用下的红外

光吸收的频率也就存在一个较宽的分布。

须指出，分析具体体系要综合考虑各种因素，不能一概而论。

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纳米结构材料红外吸收的微观机制研究还有待深入，实验现象也尚需进一步

系统化。

2、吸收光谱的蓝移现象

纳米颗粒的吸收带通常发生兰移。例如，SiC纳米颗粒的红外吸

收峰为814cm,而块体SiC固体为794cm。CdS溶胶颗粒的吸收光

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谱随着尺寸的减小逐渐蓝移（如下图所示）

CdS溶胶颗粒在不同尺寸下的吸收光谱

谱线1：6nm