第三章 納米材料基本的物理效應

第三章納米材料基本的物理效應

當小粒子尺寸進入納米量級(1~100nm)時,其本身具有量子尺寸效應、小尺寸效應、表面效應和宏觀量子隧道效應,因而展現(xiàn)出許多特有的性質(zhì),在催化、濾光、光吸收、醫(yī)藥、磁介質(zhì)及新材料等方面有廣闊的應用前景,同時也將推動基礎(chǔ)研究的發(fā)展。一、小尺寸效應二、表面效應三、量子尺寸效應四、宏觀量子隧道效應五、庫侖堵塞與量子隧穿六、介電限域效應一、小尺寸效應

隨著顆粒尺寸的量變，在一定條件下會引起顆粒性質(zhì)的質(zhì)變。由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質(zhì)的變化稱為小尺寸效應。對超微顆粒而言，尺寸變小，同時其比表面積亦顯著增加，從而產(chǎn)生如下一系列新奇的性質(zhì)。

（1）特殊的光學性質(zhì)

當黃金被細分到小于光波波長的尺寸時，即失去了原有的富貴光澤而呈黑色。事實上，所有的金屬在超微顆粒狀態(tài)都呈現(xiàn)為黑色。尺寸越小，顏色愈黑，銀白色的鉑（白金）變成鉑黑，金屬鉻變成鉻黑。由此可見，金屬超微顆粒對光的反射率很低，通?？傻陀趌％，大約幾微米的厚度就能完全消光。利用這個特性可以作為高效率的光熱、光電等轉(zhuǎn)換材料，可以高效率地將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?、電能。此外又有可能應用于紅外敏感元件、紅外隱身技術(shù)等。

（2）特殊的熱學性質(zhì)

固態(tài)物質(zhì)在其形態(tài)為大尺寸時，其熔點是固定的，超細微化后卻發(fā)現(xiàn)其熔點將顯著降低，當顆粒小于10納米量級時尤為顯著。例如，金的常規(guī)熔點為1064℃，當顆粒尺寸減小到10納米尺寸時，則降低27℃，2納米尺寸時的熔點僅為327℃左右；銀的常規(guī)熔點為670℃，而超微銀顆粒的熔點可低于100℃。因此，超細銀粉制成的導電材料可以進行低溫燒結(jié)，此時元件的基片不必采用耐高溫的陶瓷材料，甚至可用塑料。采用超細銀粉材料，可使膜厚均勻，覆蓋面積大，既省料又具高質(zhì)量。日本川崎制鐵公司采用0．1～1微米的銅、鎳超微顆粒制成導電材料可代替鈀與銀等貴金屬。超微顆粒熔點下降的性質(zhì)對粉末冶金工業(yè)具有一定的吸引力。例如，在鎢顆粒中附加0.1％～0.5％重量比的超微鎳顆粒后，可使燒結(jié)溫度從3000℃降低到1200～1300℃，以致可在較低的溫度下燒制成大功率半導體管的基片。（3）特殊的磁學性質(zhì)

人們發(fā)現(xiàn)鴿子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趨磁細菌等生物體中存在超微的磁性顆粒，使這類生物在地磁場導航下能辨別方向，具有回歸的本領(lǐng)。磁性超微顆粒實質(zhì)上是一個生物磁羅盤，生活在水中的趨磁細菌依靠它游向營養(yǎng)豐富的水底。通過電子顯微鏡的研究表明，在趨磁細菌體內(nèi)通常含有直徑約為2*10-2微米的磁性氧化物顆粒。小尺寸的超微顆粒磁性與大塊材料顯著的不同，而當顆粒尺寸減小到2*10-2微米以下時，其矯頑力可增加1千倍，若進一步減小其尺寸，大約小于6*10-3微米時，其矯頑力反而降低到零，呈現(xiàn)出超順磁性。利用磁性超微顆粒具有高矯頑力的特性，已作成高貯存密度的磁記錄磁粉，大量應用于磁帶、磁盤、磁卡以及磁性鑰匙等。利用超順磁性，人們已將磁性超微顆粒制成用途廣泛的磁性液體。（4）特殊的力學性質(zhì)

由于納米材料粒度非常微小,具有良好的表面效應,1克納米材料的表面積達到幾百平方米。因此,用納米材料制成的產(chǎn)品其強度、柔韌度、延展性都十分優(yōu)越，就象一種有千萬對腳的毛毛蟲，當它吸附在光滑的玻璃面上時，由于接觸面積大，12級臺風有也吹不掉它。陶瓷材料在通常情況下呈脆性，陶瓷茶壺一摔就碎，然而由納米超微顆粒壓制成的納米陶瓷材料，竟然可以象彈簧一樣具有良好的韌性。研究表明，人的牙齒之所以具有很高的強度，是因為它是由磷酸鈣等納米材料構(gòu)成的。呈納米晶粒的金屬要比傳統(tǒng)的粗晶粒金屬硬3～5倍。至于金屬---陶瓷等復合納米材料，其應用前景十分寬廣。二、表面效應納米微粒尺寸小,表面能高,位于表面的原子占相當大的比例。隨著粒徑減小,表面原子數(shù)迅速增加。這是由于粒徑小,表面積急劇變大所致。粒徑(nm)2nm5nm10nm100nm原子總數(shù)Ｎ3504000300003×106表面原子百分數(shù)8640202比表面積(m2/g)450180909由于表面原子數(shù)增多,原子配位不足及高的表面能,使這些表面原子具有高的活性,極不穩(wěn)定,很容易與其他原子結(jié)合。例如金屬的納米粒子在空氣中會燃燒,無機的納米粒子暴露在空氣中會吸附氣體,并與氣體進行反應。三、量子尺寸效應當粒子尺寸下降到某一值時,金屬費米能級附近的電子能級由準連續(xù)變?yōu)殡x散能級的現(xiàn)象以及納米半導體微粒存在不連續(xù)的最高被占據(jù)分子軌道和最低未被占據(jù)的分子軌道能級而使能隙變寬現(xiàn)象均稱為量子尺寸效應。各種元素的原子具有特定的光譜線，如鈉原子具有黃色的光譜線。由無數(shù)的原子構(gòu)成固體時，單獨原子的能級就并