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纳米材料四大效应

发布时间:2019-08-15 14:46 来源:未知 编辑:admin

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  纳米材料有五大效应: 体积效应;表面效应;量子尺寸;量子隧道;介电限域。

  纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺寸(0.1-100 nm)或由它们作为基本单元构成的材料,这大约相当于10~100个原子紧密排列在一起的尺度。

  纳米金属材料是20世纪80年代中期研制成功的,后来相继问世的有纳米半导体薄膜、纳米陶瓷、纳米瓷性材料和纳米生物医学材料等。

  在实际中应用的纳米材料大多数都是人工制造的。纳米磁性材料具有十分特别的磁学性质,纳米粒子尺寸小,具有单磁畴结构和矫顽力很高的特性,用它制成的磁记录材料不仅音质、图像和信噪比好,而且记录密度比γ-Fe2O3高几十倍。

  超顺磁的强磁性纳米颗粒还可制成磁性液体,用于电声器件、阻尼器件、旋转密封及润滑和选矿等领域。

  展开全部纳米材料与同质块体材料性质上有很大的差异,引起这种差异的原因可能是多方面的,甚至有些原因至今尚不清楚,但目前学术界普遍认为,纳米材料特殊的物理化学性质与下述几方面效应有着密切联系[3,4]。

  表面效应:当颗粒的直径减小到纳米尺度范围时,随着粒径减小,比表面积和表面原子数迅速增加。

  量子尺寸效应:当金属或半导体从三维减小至零维时,载流子在各个方向上均受限,随着粒子尺寸下降到接近或小于某一值(激子玻尔半径)时,费米能级附近的电子能级由准连续能级变为分立能级的现象称为量子尺寸效应。金属或半导体纳米微粒的电子态由体相材料的连续能带过渡到分立结构的能级,表现在光学吸收谱上从没有结构的宽吸收过渡到具有结构的特征吸收。量子尺寸效应带来的能级改变、能隙变宽,使微粒的发射能量增加,光学吸收向短波长方向移动(蓝移),直观上表现为样品颜色的变化,如CdS微粒由黄色逐渐变为浅黄色,金的微粒失去金属光泽而变为黑色等。同时,纳米微粒也由于能级改变而产生大的光学三阶非线性响应,还原及氧化能力增强,从而具有更优异的光电催化活性[5,6]。

  小尺寸效应[7]:当物质的体积减小时,将会出现两种情形:一种是物质本身的性质不发生变化,而只有那些与体积密切相关的性质发生变化,如半导体电子自由程变小,磁体的磁区变小等;另一种是物质本身的性质也发生了变化,当纳米材料的尺寸与传导电子的德布罗意波长相当或更小时,周期性的边界条件将被破坏,材料的磁性、内压、光吸收、热阻、化学活性、催化活性及熔点等与普通晶粒相比都有很大的变化,这就是纳米材料的体积效应,亦即小尺寸效应。这种特异效应为纳米材料的应用开拓了广阔的新领域,例如,随着纳米材料粒径的变小,其熔点不断降低,烧结温度也显著下降,从而为粉末冶金工业提供了新工艺;利用等离子共振频移随晶粒尺寸变化的性质,可通过改变晶粒尺寸来控制吸收边的位移,从而制造出具有一定频宽的微波吸收纳米材料。

  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:微粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量以及电荷等也具有隧道效应,它们可以穿越宏观系统中的势垒并产生变化,称为宏观量子隧道效应[8].利用这个概念可以定性解释超细镍粉在低温下继续保持超顺磁性。Awachalsom等人采用扫描隧道显微镜技术控制磁性粒子的沉淀,并研究低温条件下微粒磁化率对频率的依赖性,证实了低温下确实存在磁的宏观量子隧道效应[9]宏观量子隧道效应的研究对基础研究和实际应用都有重要的意义。它限定了磁带、磁盘进行信息存储的时间极限。宏观量子隧道效应与量子尺寸效应,是未来微电子器件的基础,或者说确立了现有微电子器件进一步微型化的极限。

  库仑堵塞与量子隧穿[10,11] :当体系的尺度进入到纳米级(一般金属粒子为几个纳米,半导体粒子为几十纳米),体系是电荷“量子化”的,即充电和放电过程是不连续的,充入一个电子所需的能量Ec为e2/2C,e为一个电子的电荷,C为小体系的电容,体系越小,C越小,能量Ec越大。我们把这个能量称为库仑堵塞能。换句话说,库仑堵塞能是前一个电子对后一个电子的库仑排斥能,这就导致了对一个小体系的充放电过程,电子不能集体传输,而是一个一个单电子的传输。通常把小体系中这种单电子输运行为称为库仑堵塞效应。如果两个量子点通过一个“结”连接起来,一个量子点上的单个电子穿过能垒到另一个量子点上的行为称作量子隧穿。利用库仑堵塞和量子隧穿效应可以设计下一代的纳米结构器件,如单电子晶体管和量子开关等。以上几种效应都是纳米微粒和纳米固体的基本特性,它使纳米微粒和纳米固体呈现出许多奇特的物理和化学性质[2,12] ,出现一些不同于其它大块材料的反常现象。这使纳米材料具有了传统材料所没有的优异性能和巨大的应用前景,成为材料科学中的一大亮点。

  介电限域效应:当纳米微粒分散在异质介质中,将导致体系介电增强,从而引起微粒的介电性质与光学特性发生变化,这就是介电限域效应。一般情况下,纳米材料被分散在一种介电常数较低的基质当中,当介质的介电常数比纳米微粒小的多时,介电限域效应将起很重要的作用,它将使电子、空穴库仑作用增大,从而使激子束缚能进一步增大,最终引起吸收光谱和荧光光谱的红移[13]。

  纳米材料所具有的上述一些特殊效应,使纳米颗粒和纳米固体呈现许多特异的物理、化学性质,出现一些“反常现象”。例如金属为导体,但纳米金属微粒在低温时由于量子尺寸效应呈现电绝缘性;一般PbTiO3,BaTiO3和SrTiO3等是典型的铁电体,但当其尺寸进入纳米数量级时就会变成顺电体;铁磁性的物质进入纳米级(~5nm),由于由多畴变成单畴,产生极强的顺磁效应;当粒径为十几纳米的氮化硅微粒组成纳米陶瓷时,已不具有典型共价键特征,界面键结构出现部分极化,在交流电下电阻很小;化学惰性的金属铂制成纳米微粒(铂黑)后却成为活性极好的催化剂。众所周知,金属由于光反射呈现各种美丽的特征颜色,而纳米金属颗粒光反射能力显著下降,通常可低于1%,因而呈现黑色,这是由于小尺寸和表面效应使纳米微粒对光的吸收能力增强;颗粒为6nm的纳米Fe晶体的断裂强度比多晶Fe提高12倍;纳米Cu晶体的自扩散是传统晶体的1016至1019倍,是晶界扩散的103倍;纳米金属Cu的比热是传统Cu的两倍;纳米固体Pd热膨胀提高一倍;纳米Ag晶体作为稀释致冷机的热交换器效率较传统材料有很大提高;纳米磁性金属的磁化率是普通金属的20倍,而饱和磁矩是普通金属的1/2。由于纳米微粒所具有的常规材料所不具备的特性,使得纳米微粒在磁性材料、电子材料、光学材料、高致密度材料的烧结、催化、传感、陶瓷增韧等方面有广阔的应用前景

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