江苏铸造

纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100nm)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（nanometer）是一个长度单位，简写为nm。1nm=10-3μm=10-6mm=10-9m。1nm等于10个氢原子一个挨一个排起来的长度。纳米是一个极小达到尺寸，但它又代表人们认识上的一个新层次，从微米进入到纳米。

Nanomaterials——materials having at least one spatialdimension in the size range 1–100 nm.纳米材料——显微结构中的物相具有纳米级尺度的材料。

微观结构至少在一维方向上受纳米尺度（1nm~100nm）调制的各种固体超细材料，或由它们作为基本单元构成的材料。

纳米科技是在纳米尺寸（10-10∽10-7m）范围内认识和改造自然，通过直接操作和安排原子、分子创造新物质。纳米科技是研究由尺寸0.1-100nm之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术。纳米科技主要包括：①纳米体系物理学；②纳米化学；③纳米材料学；④纳米生物学；⑤纳米电子学；⑥纳米加工学；⑦纳米力学。

当粒子的尺寸达到纳米量级时，费米能级附近的电子能级由连续态分裂成分立能级。当能级间距大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能或超导态的凝聚能时，会出现纳米材料的纳米效应，主要包括小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应和库仑阻塞效应等。从而使其磁、光、声、热、电、超导电性能变化

1小尺寸效应

禹重科技 禹重科技-试验分析仪器采购中心|材料测试服务中心 400-808-4598   http://www.uzong.cn

当晶体颗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或透射深度等物理特征尺寸相当或比它们更小时,晶体周期性的边界条件将被破坏,非晶态纳米粒子的颗粒表面层附近的原子密度减少,进而导致其声、光、电、磁、热、力学等特性呈现新的物理性质的变化,这种变化称为小尺寸效应。

对超微颗粒而言,尺寸变小,同时其比表面积亦显著增加,从而产生如下一系列新奇的性质。

一是光学性质。超微颗粒对光的反射率很低,通常可低于1%,几微米的厚度就能完全消光。利用这个特性可用来制作高效率的光热、光电等转换材料,可以高效率地将太阳能转变为热能、电能。此外还有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等方面;

二是磁学性质。小尺寸的超微颗粒磁性与大块材料显著的不同,大块的纯铁矫顽力约为80安/米,而当颗粒尺寸减小到10-2微米以下时,其矫顽力可增加1千倍,若进一步减小其尺寸,大约小于10-3微米时,其矫顽力反而降低到零,呈现出超顺磁性。利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性,已作成高贮存密度的磁记录磁粉,大量应用于磁带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙等。利用超顺磁性,人们已将磁性超微颗粒制成用途广泛的磁性液体。

三是热学性质,固态物质在其形态为大尺寸时,其熔点是固定的,超细微化后却发现其熔点将显著降低,当颗粒小于10纳米量级时变化尤为显著。例如,金的常规熔点为1064C℃,当颗粒尺寸减小到10纳米尺寸时,则降低27℃,2纳米尺寸时的熔点仅为327℃左右;银的常规熔点为670℃,而超微银颗粒的熔点可低于100℃。因此,超细银粉制成的导电浆料可以进行低温烧结,此时元件的基片不必采用耐高温的陶瓷材料,甚至可用塑料。采用超细银粉浆料,可使膜厚均匀,覆盖面积大,既省料又具有高质量。日本川崎制铁公司采用0.1-l um的铜与镍超微颗粒制成导电浆料可代替把与银等贵金属导电浆料。超微颗粒熔点下降的性质对粉末冶金工业具有一定的吸引力。例如,在钨颗粒中附加0.1%-0.5%重量比的超微镍颗粒后,可使烧结温度从3000℃降低到1200~1300℃,以致可在较低的温度下烧制成大功率半导体管的基片,降低了生产成本。

2表面效应

纳米材料的表面效应指的是纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的减小而急剧增大,从而引起材料物化性质上的变化。

我们知道,材料的比表面积与材料的尺寸成反比,随材料尺寸的不断减小,比表面积和表面原子所占的原子数目都会显著的增加。由于表面原子数目增多,原子配位不足以及很高的表面能,使这些原子容易与其他原子相结合,因此具有非常高的化学活性。利用这种性质可以应用于催化、吸附等领域。利用有机材料对纳米材料表面的修饰和改性还可以得到超亲水和超疏水的纳米材料,在民用工业上有广泛的用途。

3量子尺寸效应

禹重科技 禹重科技-试验分析仪器采购中心|材料测试服务中心 400-808-4598   http://www.uzong.cn

量子尺寸效应指的是指当粒子尺寸下降到某一数值时,费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级或者能隙变宽的现象。

当能级的变化程度大于热能、光能、电磁能的变化时,导致了纳米微粒磁、光、声、热、电及超导特性与常规材料有显著的不同。同时处于分立的量子化能级中电子的波动性给纳米粒子带来一系列特殊性质,如高的光学非线性、特异的催化与光催化性、强氧化性和还原性等。对半导体材料而言,尺寸小于其本身的激子玻尔半径,就会表现出明显的量子效应。近年来,Xiaogangpeng用活性剂辅助热液法制备出了分散性较好的CdSe和CdTe体系,发现它们所呈现的吸收光谱和发光光谱发生了蓝移现象,它们所呈现的量于效应蓝移的能量大小可由下面的公式计算得出：

其中E(r)表示的是纳米材料的吸收带隙,r表示的是纳米粒子的半径。

表示纳米粒子的折合质量，其中me-mh+分别为电子和空穴有效质量,第二项则表示量子限域能,第三项表示的是电子一空穴对的库仑作用。

表示的是有效里得伯量。。从上面的式子可以看出,随着纳米材料半径r的不断减小,其吸收带隙将会显著增加,在光谱学上表现出蓝移的现象。

4宏观量子隧道效应

宏观量子隧道效应是基本的量子现象之一,即当微观粒子的总能量小于势垒高度时,该粒子仍能穿越这一势垒。

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有隧道效应,称为宏观的量子隧道效应。早期曾用来解释纳米镍粒子在低温继续保持超顺磁性。近年来人们发现Fe一Ni薄膜中畴壁运动速度在低于某一临界温度时基本上与温度无关。于是,有人提出量子理想的零点震动可以在低温起着类似热起伏的效应。从而使零温度附近微颗粒磁化矢量的重取向保持有限的驰豫时间,即在绝对零度仍然存在非零的磁化反转率。宏观量子隧道效应的研究对墓础研究及实用都有着重要的意义,它限定了磁带、磁盘进行信息贮存的时间极限。量子尺寸效应、隧道效应将会是未来电子器件的基础,从这点看,它确立了现代微电子器件进一步微型化的极限。当电子器件进一步细微化时,必须要考虑上述的量子效应。

5库仑阻塞效应

禹重科技 禹重科技-试验分析仪器采购中心|材料测试服务中心 400-808-4598   http://www.uzong.cn

库仑阻塞效应是电子在纳米尺度的导电物质间移动时出现的一种现象。

在两电极间(其接合静电容量为C)距离变小时,由于隧道效应,电子可以从一极向另一极移动,如果双方经过平衡,要移动一个电子,其能量仅增加Ec=e2/2C。此能量在室温时与热能相比非常小,而当导体尺度极小时,C变得很小;尤其在低温时,热能也很小,这时就必须考虑Ec。如果没有这一能量,在低偏流电压下,电子的流动受到抑制,导体就不会产生电传导。这种因库仑力导致对传导的阻碍,就是所谓的库仑阻塞现象。此时若第三电极(栅极)施加正电位,电中性的导体就会带负电,但栅极电压超过平衡电压时,一个电子就会从一个电极向另一移动,形成单电子运输,从而产生传导。电压继续提高时,库仑阻塞仍起作用,在同样情况下反复进行。利用此原理可制成室温下工作的微小场效应三极管。

禹重科技 禹重科技-试验分析仪器采购中心|材料测试服务中心 400-808-4598   http://www.uzong.cn

禹重科技-试验分析仪器采购中心|材料测试服务中心 400-808-4598