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  OoJAMIE櫻oO 2011-12-05 00:00:00

  納米材料由于其獨(dú)特的尺寸結(jié)構(gòu)，使得納米材料有著傳統(tǒng)材料不具備的特征。即小尺寸效應(yīng)、表面與界面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等納米效應(yīng)。例如，許多金屬納米粒子在室溫下在空氣中會(huì)被強(qiáng)烈氧化而燃燒是表面效應(yīng)；2nm的金的熔點(diǎn)是327℃是小尺寸效應(yīng)；納米銀時(shí)絕緣體是量子尺寸效應(yīng)；鐵到納米級(jí)后鐵磁性轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判曰蜍洿判允呛暧^量子隧道效應(yīng)。

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  877474941 2017-05-26 10:03:17

  表面效應(yīng)：當(dāng)顆粒的直徑減小到納米尺度范圍時(shí)，隨著粒徑減小，比表面積和表面原子數(shù)迅速增加。 量子尺寸效應(yīng)：當(dāng)金屬或半導(dǎo)體從三維減小至零維時(shí)，載流子在各個(gè)方向上均受限，隨著粒子尺寸下降到接近或小于某一值（激子玻爾半徑）時(shí)，費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)由準(zhǔn)連續(xù)能級(jí)變?yōu)榉至⒛芗?jí)的現(xiàn)象稱為量子尺寸效應(yīng)。金屬或半導(dǎo)體納米微粒的電子態(tài)由體相材料的連續(xù)能帶過渡到分立結(jié)構(gòu)的能級(jí)，表現(xiàn)在光學(xué)吸收譜上從沒有結(jié)構(gòu)的寬吸收過渡到具有結(jié)構(gòu)的特征吸收。量子尺寸效應(yīng)帶來的能級(jí)改變、能隙變寬，使微粒的發(fā)射能量增加，光學(xué)吸收向短波長(zhǎng)方向移動(dòng)（藍(lán)移），直觀上表現(xiàn)為樣品顏色的變化，如CdS微粒由黃色逐漸變?yōu)闇\黃色，金的微粒失去金屬光澤而變?yōu)楹谏?。同時(shí)，納米微粒也由于能級(jí)改變而產(chǎn)生大的光學(xué)三階非線性響應(yīng)，還原及氧化能力增強(qiáng)，從而具有更優(yōu)異的光電催化活性[5，6]。 小尺寸效應(yīng)[7]：當(dāng)物質(zhì)的體積減小時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)兩種情形：一種是物質(zhì)本身的性質(zhì)不發(fā)生變化，而只有那些與體積密切相關(guān)的性質(zhì)發(fā)生變化，如半導(dǎo)體電子自由程變小，磁體的磁區(qū)變小等；另一種是物質(zhì)本身的性質(zhì)也發(fā)生了變化，當(dāng)納米材料的尺寸與傳導(dǎo)電子的德布羅意波長(zhǎng)相當(dāng)或更小時(shí)，周期性的邊界條件將被破壞，材料的磁性、內(nèi)壓、光吸收、熱阻、化學(xué)活性、催化活性及熔點(diǎn)等與普通晶粒相比都有很大的變化，這就是納米材料的體積效應(yīng)，亦即小尺寸效應(yīng)。這種特異效應(yīng)為納米材料的應(yīng)用開拓了廣闊的新領(lǐng)域，例如，隨著納米材料粒徑的變小，其熔點(diǎn)不斷降低，燒結(jié)溫度也顯著下降，從而為粉末冶金工業(yè)提供了新工藝；利用等離子共振頻移隨晶粒尺寸變化的性質(zhì)，可通過改變晶粒尺寸來控制吸收邊的位移，從而制造出具有一定頻寬的微波吸收納米材料。 宏觀量子隧道效應(yīng)：微觀粒子具有貫穿勢(shì)壘的能力稱為隧道效應(yīng)。近年來，人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀量，例如：微粒的磁化強(qiáng)度、量子相干器件中的磁通量以及電荷等也具有隧道效應(yīng)，它們可以穿越宏觀系統(tǒng)中的勢(shì)壘并產(chǎn)生變化，稱為宏觀量子隧道效應(yīng)[8]．利用這個(gè)概念可以定性解釋超細(xì)鎳粉在低溫下繼續(xù)保持超順磁性。Awachalsom等人采用掃描隧道顯微鏡技術(shù)控制磁性粒子的沉淀，并研究低溫條件下微粒磁化率對(duì)頻率的依賴性，證實(shí)了低溫下確實(shí)存在磁的宏觀量子隧道效應(yīng)[9]宏觀量子隧道效應(yīng)的研究對(duì)基礎(chǔ)研究和實(shí)際應(yīng)用都有重要的意義。它限定了磁帶、磁盤進(jìn)行信息存儲(chǔ)的時(shí)間極限。宏觀量子隧道效應(yīng)與量子尺寸效應(yīng)，是未來微電子器件的基礎(chǔ)，或者說確立了現(xiàn)有微電子器件進(jìn)一步微型化的極限。 庫(kù)侖堵塞與量子隧穿[10，11] ：當(dāng)體系的尺度進(jìn)入到納米級(jí)（一般金屬粒子為幾個(gè)納米，半導(dǎo)體粒子為幾十納米），體系是電荷“量子化”的，即充電和放電過程是不連續(xù)的，充入一個(gè)電子所需的能量Ec為e2/2C，e為一個(gè)電子的電荷，C為小體系的電容，體系越小，C越小，能量Ec越大。我們把這個(gè)能量稱為庫(kù)侖堵塞能。換句話說，庫(kù)侖堵塞能是前一個(gè)電子對(duì)后一個(gè)電子的庫(kù)侖排斥能，這就導(dǎo)致了對(duì)一個(gè)小體系的充放電過程，電子不能集體傳輸，而是一個(gè)一個(gè)單電子的傳輸。通常把小體系中這種單電子輸運(yùn)行為稱為庫(kù)侖堵塞效應(yīng)。如果兩個(gè)量子點(diǎn)通過一個(gè)“結(jié)”連接起來，一個(gè)量子點(diǎn)上的單個(gè)電子穿過能壘到另一個(gè)量子點(diǎn)上的行為稱作量子隧穿。利用庫(kù)侖堵塞和量子隧穿效應(yīng)可以設(shè)計(jì)下一代的納米結(jié)構(gòu)器件，如單電子晶體管和量子開關(guān)等。以上幾種效應(yīng)都是納米微粒和納米固體的基本特性，它使納米微粒和納米固體呈現(xiàn)出許多奇特的物理和化學(xué)性質(zhì)[2，12] ，出現(xiàn)一些不同于其它大塊材料的反?，F(xiàn)象。這使納米材料具有了傳統(tǒng)材料所沒有的優(yōu)異性能和巨大的應(yīng)用前景，成為材料科學(xué)中的一大亮點(diǎn)。 介電限域效應(yīng)：當(dāng)納米微粒分散在異質(zhì)介質(zhì)中，將導(dǎo)致體系介電增強(qiáng)，從而引起微粒的介電性質(zhì)與光學(xué)特性發(fā)生變化，這就是介電限域效應(yīng)。一般情況下，納米材料被分散在一種介電常數(shù)較低的基質(zhì)當(dāng)中，當(dāng)介質(zhì)的介電常數(shù)比納米微粒小的多時(shí)，介電限域效應(yīng)將起很重要的作用，它將使電子、空穴庫(kù)侖作用增大，從而使激子束縛能進(jìn)一步增大，Z終引起吸收光譜和熒光光譜的紅移[13]。 納米材料所具有的上述一些特殊效應(yīng)，使納米顆粒和納米固體呈現(xiàn)許多特異的物理、化學(xué)性質(zhì)，出現(xiàn)一些“反?，F(xiàn)象”。例如金屬為導(dǎo)體，但納米金屬微粒在低溫時(shí)由于量子尺寸效應(yīng)呈現(xiàn)電絕緣性；一般PbTiO3，BaTiO3和SrTiO3等是典型的鐵電體，但當(dāng)其尺寸進(jìn)入納米數(shù)量級(jí)時(shí)就會(huì)變成順電體；鐵磁性的物質(zhì)進(jìn)入納米級(jí)（～5nm），由于由多疇變成單疇，產(chǎn)生極強(qiáng)的順磁效應(yīng)；當(dāng)粒徑為十幾納米的氮化硅微粒組成納米陶瓷時(shí)，已不具有典型共價(jià)鍵特征，界面鍵結(jié)構(gòu)出現(xiàn)部分極化，在交流電下電阻很??；化學(xué)惰性的金屬鉑制成納米微粒（鉑黑）后卻成為活性極好的催化劑。眾所周知，金屬由于光反射呈現(xiàn)各種美麗的特征顏色，而納米金屬顆粒光反射能力顯著下降，通?？傻陀?％，因而呈現(xiàn)黑色，這是由于小尺寸和表面效應(yīng)使納米微粒對(duì)光的吸收能力增強(qiáng)；顆粒為6nm的納米Fe晶體的斷裂強(qiáng)度比多晶Fe提高12倍；納米Cu晶體的自擴(kuò)散是傳統(tǒng)晶體的1016至1019倍，是晶界擴(kuò)散的103倍；納米金屬Cu的比熱是傳統(tǒng)Cu的兩倍；納米固體Pd熱膨脹提高一倍；納米Ag晶體作為稀釋致冷機(jī)的熱交換器效率較傳統(tǒng)材料有很大提高；納米磁性金屬的磁化率是普通金屬的20倍，而飽和磁矩是普通金屬的1/2。由于納米微粒所具有的常規(guī)材料所不具備的特性，使得納米微粒在磁性材料、電子材料、光學(xué)材料、高致密度材料的燒結(jié)、催化、傳感、陶瓷增韌等方面有廣闊的應(yīng)用前景

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