第1章纳米科技与纳米材料

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1、第1章纳米科技与纳米材料1.概述1.1纳米科技里程碑研究手段：扫描隧道显微镜（STM）STM是80年代初发展的新型显微仪器，可达原子级的超高分辨率STM观察物质表面结构，可得到极其细微的纳米尺度（10-9m）,是对物质表妞进行精细加工的重要工具STM基本原理是基于量子隧道效应和扫描：①一个极细针尖（头部为单个原子）去接近样品表而，当针尖和表而距离＜lnm，针尖头部原子和样品表面原子的电子云发生重迭，若在针尖和样品之间施加一个偏压电子便会通过针尖和样品构成的势垒而形成隧道电流②通过控制针尖与样品表面间距恒定，使针尖沿表面进行精确三维移动（扫描），就可以

2、把表面的信息（表面形貌和表面电子态）记录1.2纳米技术与纳米材料内涵纳米科技：是90年代初迅速发展的全新前沿科研领域。它是指在1-lOOnm尺度空内，研究电子、原子、分子运动规律、特性的高新科技。目标是直接自由操纵单个原子、分子，制造出特定功能产品。纳米材料：由纳米粒子构成。粒子尺寸1〜lOOrnn，是原子簇和宏观物体交界的过渡区域（介观）该系统既非典型微观亦非典型宏观，是一种典型介观系统，它具有独特效应。宏观物体细分成纳米级后，它将显示许多奇异的特性，如光学、热学、电学、磁学、力学、化学等性质，与块体材料具有显著的不同1.3纳米材料特性1）表面效应

3、：球形颗粒的比表面积（表面积/体积）与直径成反比。随着颗粒直径的变小，比表面积将会显著地增加，颗粒表面原子数相对增多，从而使这些表面原子具有很髙的活性且极不稳定，致使颗粒表现出不一样的特性，这就是表面效应。纳米颗粒的表面与块体的表面十分不同：高倍电子显微镜对金颗粒（直径为2nm）进行摄像时，发现这些颗粒没有固定的形态，随着时间的变化会自动形成各种形状它不同于一般固体，又不同于液体，是准固体。在电镜的电子束照射下，表而原子仿佛进入了“沸腾”状态，尺寸大于10纳米后才看不到这种颗粒结构的不稳定性2）小尺寸效应：尺寸变小，在一定条件下会引起颗粒性质的质变。

4、由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。小尺寸效应将导致一系列新奇的性质变化：（1）特殊的光学性质：任何金属颗粒，当其尺小在纳米量级时大都呈现黑色。金属纳米颗粒对光的反射率很低，可低于1%，约儿微米厚度就完全消光利用该特性可作高效的光热、光电等转换材料，可高效地将太阳能转变为热能、电能。（2）特殊的热学性质：纳米化后金属熔点显著降低（3）特殊的磁学性质：磁颗粒小到20nm以下，其矫顽力增加1千倍，小于6mn,其矫顽力反而降低到0,呈超顺磁性；利用商矫顽力特性，可作成商贮存密度的磁记录粉，用于磁带、磁盘、及磁钥匙等。利用超顺磁性，可制成

5、用途广泛的磁性液体（4）特殊的力学性质：纳米陶瓷材料有良好韧性。因其人的界而，界而的原子排列相当混乱，原子在外力变形下容易迁移，表现山一定韧性及延展性小尺、j•效应还表现在超导电性、介电性能、声学特性以及化学性能等方面3）量子尺寸效应：微粒尺寸下降到一定值时，费米能级附近的电子能级由准连续能级变为分立能级，吸收光谱阙值向短波方向移动，称为量子尺寸效应4）宏观量子隧道效应隧道效应：当微观粒子总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒。一些宏观量如微粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量及电荷也有隧道效应，其可穿越宏观系统的势阱而产生变化，即宏观量子隧道

6、效应无数原子构成固体时，单独原子的能级并合成能带，因电子数目很多，能带屮能级的间距很小，可看作连续，能级概念成功地解释了大块金属、半导体、绝缘体之间联系与区别。对纳米颗粒，连续能带分裂为分立能级；能级间的间距随颗粒尺寸减小而增大。当微粒的热能、电场能或者磁场能比微粒的平均能级间距还小时，就会呈现一系列与宏观物体不同的反常特性（量子效应）。电子具有波粒二相性，存在隧道效应。与量子效应合称宏观的量子隧道效应1.4一些常见纳米材料纳米效应颜料纳米效应颜料具有随角异色特性，深受配色专家喜爱纳米防护材料某些纳米材料透明性好和具有优异的紫外线屏蔽作用。添加少量（

7、不超过2%）的纳米材料，就会大大减弱紫外线对产品和材料的损伤作用，使之更加具有耐久性和透明性。被广泛用于护肤品、装饰材料、外用而漆、木器保护、天然和人造纤维、农用塑料薄膜等方面纳米陶瓷涂层纳米材料可在低温、低压下生产质地致密生能优异的陶瓷。纳米陶瓷组分可作为一种极薄的透明涂料，有防污、防尘、耐刮、耐磨、防火等多功能纳米催化剂比表面积大、表面活性中心多，纳米铂黑、银、氧化铝和氧化铁等用于高分子聚合物氧化、还原及合成反应催化剂，可提《反应效率。用纳米镍粉为火箭固体燃料反应催化剂，燃烧效率提高100倍纳米磁性材料纳米磁性粒子属单磁畴区结构粒子，其磁化过程完

8、全由旋转磁化进行，可作永久性磁性材料。磁性纳米粒具杳单磁畴结构及矫顽力很高的特征，做磁C录材料可提高信噪比，