納米材料物理

納米材料的磁光性能磁光效應(yīng)磁光效應(yīng)就是指極化光與磁性物質(zhì)交互作用后所產(chǎn)生的一種效應(yīng)。它分為Faraday效應(yīng)和Kerr效應(yīng)。1846年，F(xiàn)araday發(fā)現(xiàn)在玻璃樣品上加上磁場時，透射光的極化面發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這就是Faraday效應(yīng)。如圖1(a)所示，紅色表示加在物質(zhì)上的磁場或磁化作用，黃線表示極化光，極化光通過被磁化的物質(zhì)后產(chǎn)生Faraday效應(yīng)。注意，所加磁場的方向與光束行進的方向平行。1877年Kerr在觀察極化光束從磁性物質(zhì)反射后，光束的極化以及強度有了改變，這就是磁光科爾效應(yīng)(magneto-pticalKerreffect,MOKE)。如圖1(b)所示。1隨著鐵磁物質(zhì)磁化強度矢量M的方向相對于材料的表面和人射光束的人射平面的取向,MOKE實際上分為3種效應(yīng):縱向MOKE、極性MOKE(PolarMOKE)和橫向MOKE?？梢杂脠D形清晰地分別表示如下?？v向MOKE是由于磁化強度矢量處于材料的表面內(nèi)并平行于入射平面，如圖2(a)所示。通常用s極化和P極化分別表示垂直和平行于入射平面光的極化?？v向MOKE簡單，其人射光束或者只在s平面或者只在P平面極化，因此其反射光就轉(zhuǎn)變?yōu)闄E圓極化光。橢圓的主軸常常圍繞著主平面有些微的旋轉(zhuǎn)，稱之為Kerr旋轉(zhuǎn)。這種橢圓率稱為Kerr橢圓率。透射中也存在著同樣的效應(yīng)，當然通常這只能在薄膜中才看得到，因為絕大多數(shù)磁物質(zhì)在磁光活躍的區(qū)域是不透明的。這些效應(yīng)的符號和數(shù)量比例于M和它的方向。在垂直人射方向沒有觀察到什么效應(yīng)。圖(b)所示的為橫向MOKE梗概圖，此時磁化強度垂直于外加磁場和人射平面。與縱向MOKE不同，第一，它只是在P平面內(nèi)極化；第二，反射光仍然保持線性極化，只有反射振幅的變化，即M的變化只是從+M變?yōu)?M,反射率從R+AR變?yōu)镽-AR。在垂直人射上沒有什么效應(yīng)。圖(c)所示的是極化MOKE梗概圖，此時磁化矢量垂直于樣品表面。像縱向MOKE—樣，它只是在p平面或s平面內(nèi)發(fā)生。這種效應(yīng)中的人射光處于這些線性極化態(tài)的一種，反射時轉(zhuǎn)化為橢圓極化光。在垂直人射方向可觀察到效應(yīng)。金屬納米粒子和納米粒子薄膜的磁光效應(yīng)Menendez等制備了嵌人于非晶態(tài)蟲2。3層中的Fe納米粒子A，B和C三種樣品，它們的粒徑分別為2.4nm,4nm和8nm，含量分別為10%,30%和40%，俎2O3層的厚度分別17nm，18nm和18.5nm,測定了它們的MOKE。圖3是這三個樣品的Kerr橢圓率和旋轉(zhuǎn)角與能量關(guān)系的測定結(jié)果。最明顯的特點是在所有的樣品中，不論是橢圓率還是旋轉(zhuǎn)角譜，由于干涉的作用，都在4--4.5eV附近出現(xiàn)峰值。作者應(yīng)用不同的有效媒介近似的廣義方法描述了實驗結(jié)果，從理論與實驗符合程度發(fā)現(xiàn)，在納米平均粒徑大于4nm時，兩則符合得較好，而在粒徑為約2nm時，兩者的偏差大。這就說明，在粒徑小于4nm時，納米粒子的磁光性能，因為其電子結(jié)構(gòu)與體材的不同。Sepulveda等在Mg0(001)襯底上高真空濺射和激光法淀積10nm厚的MgO緩沖層，在其上鍍制0.5--50nm的Fe膜，然后再鍍3nm厚的MgO覆蓋層。用Xe燈所發(fā)射的P極化光經(jīng)樣品反射后，通過一單色器，所產(chǎn)生的單色光由光二極管檢測，并由鎖相放大器處理。在頻率置時，鎖相放大器就檢測其反射率的變圖3三種Fe納米粒子樣品的極性Kerr橢圓率(a)和O2?J ZT⑼旋轉(zhuǎn)角(b),A為空心圓圈，B為實心三角，圖3三種Fe納米粒子樣品的極性Kerr橢圓率(a)和O2?J ZT⑼旋轉(zhuǎn)角(b),A為空心圓圈，B為實心三角，C為實心方塊].52.02.53.03.54.04.55.0能助Vd~500Astiod=5OAexp-一d-50Asim1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.S 4.0能M/^V3.0J'05①TZ2.」ro,茁二#1老巻O

O.ud=0gp 口<l=5Aexp da1QAcofit—-d=5Aco(ntd=10ApartT一EApart /1.0L52.0 2.5 3.0 3.5 4.0能S/eV化，這與磁化強度成線性依賴關(guān)系，而二次依賴關(guān)系由二級諧振給出。圖4表示了所測定的不同F(xiàn)e厚度樣品的P-P極化光反射率隨磁化強度線性變化(linearmagnetizationvariationsofreflectivity,LMVR)與光能量的關(guān)系。反射譜是在人射角為45度時得到的。可以看到，在約2eV處出現(xiàn)峰值，且隨著樣品Fe厚度的減小。峰值強度和形狀減少和變寬。圖中的實線，虛線和點線理論計算結(jié)果。圖4MgO襯底上Fe納米膜的LMVR測定結(jié)果。圖(a)中口，O和△分別表示對50,5和2.5nm膜的測定值，實線，虛線和點線則是3種膜的計算值；(b)中O和□表示對1和0.5nmFe膜的實測值，實線和虛線是它們的計算值，-+-+-+-和-1-1-1-線是自恰媒介方法對納米粒子的計算結(jié)果

模擬計算中使用了4*4轉(zhuǎn)變矩陣，并假定Fe膜連續(xù)，具有Fe體材的光學和磁光常數(shù)。顯然，對于較厚的樣品(厚于1nm)，理論與實驗測定符合得很好，不僅沒有改變樣品繞z軸旋轉(zhuǎn)反射譜的形狀，而且數(shù)值也相合。但是在樣品Fe膜厚度小至1nm和0.5nm后，圖b中實線和虛線所表示的模擬結(jié)果與實驗測定的明顯不合。這種差別可能來源于Fe的量子限制效應(yīng)所引起的電子結(jié)構(gòu)的變化，但也可能來源于這些極薄膜的不同形貌。實驗已經(jīng)清楚的是，對于較小的覆蓋，室溫下生長隨后退火會導致與連續(xù)納米晶厚膜具有同樣晶體取向的晶體島形成，而且，這種超薄膜的飽和磁場比厚膜的為高。因此，磁行為與這種膜的形貌變化一致。作者們于是使用自恰有效媒介方法所導出的公式研究了形貌對于磁光性能的影響。他們?nèi)匀徊捎肍e體材的有關(guān)光學和磁光常數(shù)，但計算的是納米粒子而不是連續(xù)的納米薄膜，結(jié)果如圖4(b)中的，-+-+-+-和-I-I-I-線所表示的，粒度不論是1nm還是小至0.5nm,都與實驗結(jié)果符合很好了。這些作者還對上述同樣樣品測定了反射率二次磁化強度變化(quadraticmagnetizationvariationsofreflectivity,QMVR)，測試中樣品的放置一是［100］軸垂直于人射平面，二是［110］軸垂直于人射平面兩種情況。結(jié)果表明，兩者的QMVR譜明顯不同，說明在這種立方晶系樣品中QMVR存在著很強的磁光各向異性。而且與上述LMVR的情況相反，50nmFe膜的QMVR，不論是［100］還是［110］方向都比5和2.5nm的弱些。這種行為是由于磁層與襯底和覆蓋層之間介電常數(shù)明顯不同所引起的光學效應(yīng)所致。還發(fā)現(xiàn)，這兩種晶體取向QMVR譜的1.0 1.5 2.0 2.5 3.01.0LS2.0 2.5 3.0能fi/tV1.0 1.5 2.0 2.5 3.01.0LS2.0 2.5 3.0能fi/tV0.1003MoO.圖5(a)和(b)分別是Fe膜為1和0.5nm時的QMVR譜的實驗測定和理論模擬結(jié)果

差別5和2.5nmFe的比50nm膜的大一些。對這些較厚Fe納米膜理論模擬結(jié)果與測定的符合。有意思的是對于兩種很薄膜的測定結(jié)果和模擬計算結(jié)果，如圖5lnm(a)與0.5nm(b)Fe納米膜的［100］和［110］方向QMRV的測量結(jié)果分別用■和□表示，實線和虛線則是連續(xù)膜的計算值，顯然，與實驗結(jié)果明顯不合，這比上述LMVR不符合的情況還要嚴重得多。有可能是QMVR對形貌遠比LMVR更為敏感的緣故。也像LMVR一樣，如果使用自恰有效媒介對納米粒子進行模擬，得到的-+-+-+-和-|-|-|-線(分別代表［100］和［110］方向樣品的)則與實驗結(jié)果一致了。這證明了形貌在QMVR譜中起著重要的作用。因此，這里的實驗和理論結(jié)果表明，F(xiàn)e納米島的電子結(jié)構(gòu)與體材的電子結(jié)構(gòu)是一樣的，有關(guān)磁光系數(shù)的修改是由于樣品的形貌所致。這與上面Menendez等Fe納米粒子在粒度小于4nm后的電子結(jié)構(gòu)與體材的不同的結(jié)論剛好相反。Kalska等在Si和AI襯底上淀積了粒度為8nm，10nm和12nm的Co粒子，并在室溫下于0.8--4.8eV的光能量范圍內(nèi)測定了MOKE，結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯?，MOKE與粒度相關(guān)，8nm粒子的Kerr旋轉(zhuǎn)很小，在所測定的光能量范圍內(nèi)小于0.03度。結(jié)構(gòu)和化學分析表明，這種膜上有1--2ML的CoO,減小了芯部磁性Co粒子的尺度，即小于8nm，因此，整個粒子基本上沒有顯示出磁性。10nmC聲樹匕蠱乍雪圖6(a)Co納米粒子粒度為8nm,10nm和12nm膜的MOKE，(b)Co參考膜的MOKE，(c)膜中粒子濃度對MOKE的影響C聲樹匕蠱乍雪光子能S/eV

粒子的在約leV處有一負的峰，在約3eV處正Kerr旋轉(zhuǎn)角達到極大，約為0.20度，這些作者通過分析指出，10nm粒子的有效磁芯粒徑為(4.5±0.1)nm，表現(xiàn)出超順磁性。12nm粒子MOKE的與在超高真空中生長的100nm的Co。參考膜(圖b)的形狀類似，符號則相反。它的正Kerr旋轉(zhuǎn)角最大約為0.25度，比10nm粒度的為大。此時顯示出鐵磁性。圖(c)表示了粒子粒徑相同但膜中粒子濃度不同(相差5倍)對MOKE的影響，與想象的MOKE旋轉(zhuǎn)應(yīng)當與襯底中的Co粒子數(shù)成比例相反，實驗結(jié)果表明，兩種Kerr譜的形狀相似，在低光能量幾乎重合，在高光能量峰值向下平移。Al襯底吸收了Co粒子后形成了復雜的光學系統(tǒng)，光學性質(zhì)不僅由反射也由散射來決定。但到底怎樣解釋，仍然是個問題。Huttel等在2004年也研究了淀積在5nm厚的氮化鋁(Aluminiumnitride,A1N)/藍寶石襯底上和嵌人在A1N基體中Co納米粒子的磁光性能，發(fā)現(xiàn)AlN對于磁光性能有著強烈的影響。v能兄凸V(a)000250.00252 3(b)v能兄凸V(a)000250.00252 3(b)圖7Ni圖7Ni納米絲極性(a)和橫向(b)MOKE的實驗測定結(jié)果、模擬值和體材Ni的測定結(jié)果Melle等用AAO模板制備了兩種六角形排列的Ni納米絲，第一種(樣品A)的納米絲直徑d=35nm，長L=1.4um和絲間距a=105nm。這種樣品顯示出長度約2.5um的長程有序的多區(qū)域。第二種(樣品B)的d=180nm,L=4um和a=500nm。這種樣品顯示出大小約為1.25um六角有序區(qū)域。Kerr效應(yīng)測量中，AAO固定在Si襯底上。圖8.30是這兩個樣品極性MOKE效應(yīng)(Kerr旋轉(zhuǎn)角)(a)和橫向Kerr效應(yīng)(反射率的相對變化)(b)的測定結(jié)果，分別用?和■表示A和B樣品的。圖中虛線是體Ni膜的譜?？梢钥闯?，小直徑納米絲的極性旋轉(zhuǎn)角譜在3.leV附近有強烈的峰值出現(xiàn)，與體Ni的峰值重合，具有同樣的數(shù)值，雖然納米絲樣品中所含Ni的數(shù)量只有約15000因此，是由于納米絲中幾何上對Ni的限制，提高了圍繞著峰值位置的數(shù)值。Ni納米絲Kerr旋轉(zhuǎn)角的絕對數(shù)值小于0.20，比上述Fe,C。的都要小些。至于AR/R,雖然A樣品的峰值數(shù)值與體Ni的相同，但是，曲線形狀根本不同。從圖還可清楚地看出，大直徑納米絲樣品B,無論是Kerr旋轉(zhuǎn)譜還是相對反射率，都與樣品A的明顯不同，雖然兩種樣品都含有約15%的Ni。樣品B的旋轉(zhuǎn)譜變寬，向低能量移動，并增加了在紅外區(qū)的旋轉(zhuǎn)。同樣B樣品的相對反射率譜也強烈地變寬，并減小了數(shù)值。作者們也應(yīng)用Menendez的自恰有效媒介方法進行了模擬，計算的結(jié)果對A和B樣品，分別都用粗黑和細灰色實線表示。與實驗結(jié)果比較，雖然在數(shù)值上仍有區(qū)別，但基本形狀相同，特別是對A樣品的相對反射率譜，吻合得相當好。樣品A的模擬旋轉(zhuǎn)角譜在低能量紅外區(qū)出現(xiàn)的振蕩，是由于Ni納米絲層與Si襯底之間的光干涉作用所引起。這種振蕩在實驗譜中沒有出現(xiàn)是由于表面粗糙度或由于Al基體的剩余吸收所致。這些作者認為，模擬與實驗結(jié)果的相合證明了Kerr旋轉(zhuǎn)角譜所觀察到的特點與Ni納米絲的等離激元振蕩相關(guān)。氧化物納米粒子的磁光效應(yīng)納米磁性氧化物的磁光性能的研究不多，這里以2004年Kalska等有關(guān)磁性氧化物 (M=Co,Mn和Ni)研究來進行討論。制備的純粒子平均粒徑為12nm，而的平均粒徑為10nm，含Ni和Co的粒徑處于這兩者之間。就是說，F(xiàn)e為Mn，Co或Ni取代后，并不太影響粒度大小分布。HRTEM分析表明，的(220)面間距為0.2967nm，并且這些粒子不是殼層結(jié)構(gòu)。即使粒子表面上含有表面覆蓋層的話，也不過大約1ML，因為HRTEM像表明晶格平面未受干擾地延伸到粒子的表面。圖8是淀積在Al襯底上和納米粒子的Kerr極性旋轉(zhuǎn)角譜，顯然都不強，前3個樣品的Kerr極性旋轉(zhuǎn)角都在0.04度范圍內(nèi)。此前,XiaoxiLiu等測量過50nm純膜的MOKE譜，強度也非常小。Mn取代樣品的強度比的約大一個數(shù)量級。所有這些納米粒子試樣Kerr旋轉(zhuǎn)的符號都與體材料的相反。除了反號之外，峰值的位置也向較高能量移動。純、納米粒子的譜在光能量為2.0eV處有一正的峰值，然后顯示出負的旋轉(zhuǎn)角，并在2.7eV處極小，在3.5eV處為0旋轉(zhuǎn)角，4.4eV處達到第二個極大。第二個極大處的形狀會隨著膜制備的不同而改變，但是趨向總是相同的。計算表明Fe狀態(tài)在0.9eV,2eV和3--4eV處發(fā)生轉(zhuǎn)變，分別是：因此，圖8純測定譜中所顯示的2個峰值得到了理論計算結(jié)果的佐證。純譜對于Fe與O之間的轉(zhuǎn)變并不敏感，但是認為在Fe為不同的元素比如Mg取代后會有所變化。磁性納米粒子Kerr譜峰值相對于體材的移動，可能是由于納米粒子中大的表面積/體積所致，因而有可能改變了化合物的電子結(jié)構(gòu)。Ni取代的樣品(b)在2.OeV之前為正Kerr旋轉(zhuǎn),隨即在2.2eV處為0,2.5eV處達到極小，2.6eV處達到大范圍內(nèi)的極大。在4.3eV再次為0后，更高光能量的Kerr旋轉(zhuǎn)又變?yōu)樨摰摹o取代的譜(c)只在4eV附近有很弱的Kerr旋轉(zhuǎn)。Mn置換后的納米粒子放入酒精中的Kerr譜(d)的特征完全不同，大了將近一個數(shù)量級，而且譜顯得相當平整。在測定范圍內(nèi)，只有在2.6eV處一個負的極小。但是在IR和UV端Kerr旋轉(zhuǎn)角是正的，分別在1.5eV和3.6eV處為0。這些粒子對于制備方式(是在溶液中還是在襯底上的干粒子)是最為敏感的。為了評價不同稀釋劑對于納米粒子磁性的影響，圖9(a)和(b)分別表示了Mo。/Fe2.5O4納米粒子放在酒精中和水中Kerr旋轉(zhuǎn)角的測定結(jié)果。兩者都在同樣光能量處達到相同的極小，但是在大于一3.0eV后就明顯不同了:溶于酒精中的在極小之后幾乎線性上升，在3.5eV處跨過。而在水中的在極小后增加得更快，在光能量大于3.25eV后，Kerr旋轉(zhuǎn)角幾乎與光能量無關(guān)。通常MOKE譜這樣一類差別是由于樣品反射率譜的結(jié)構(gòu)所引起，而并不是磁性的真正差別。這兩種樣品的反射率測定結(jié)果為7.32(c)和(d)所示。顯然兩者非常相像，絕對值在Kerr旋轉(zhuǎn)角峰

值能量和更高的能量之后已非常小，但是反射曲線很平整和相似?？磥鞰OKE譜中的差別不像是由于光學影響所致。顯然，現(xiàn)在還不能很好解釋這些差別的原因，還需要更多的工作才成。光了飆阿圖9光了飆阿圖9MO0.5Fe2.5O4納米粒子的極性Kerr旋圖8圖8幾種納米金屬氧化物的極性MOKE轉(zhuǎn)角（a和b）和反射率譜（c和d）,a和c在酒精中，b和d在水中。非晶磁性納米粒子復合結(jié)構(gòu)的磁光效應(yīng)Kalashnikova等2004年用離子束濺射制備了兩組納米粒子復合樣品。一組

是非晶鐵磁合金Co41Fe39B20O納米粒子嵌入于非晶介電質(zhì)SiO2薄膜中。這組樣品中，用Ar氣或Ar+W2氣或Ar+O2制備的，分別標為I-1,I-2和1-3。磁性相的濃度為34%--68%。另一組是非晶磁性合金Co45Fe45Zr10O納米粒子嵌入于非晶介電質(zhì)蟲2O3膜中。這組樣品中，用Ar+02或Ar+02+磁場+強迫水冷制備的，分別標為II-1和II-2。這組中磁性相的濃度為21%--54%。(CoFeB)/(Si02)納米復合膜的厚度小于1um，并鍍在玻璃襯底上。(CoFeZr)/⑷2。3)納米復合膜的厚度為5--10um,鍍在陶瓷襯底上。鐵磁納米粒子粒度為2--7nm，并隨鐵磁相含量的增加而在該范圍內(nèi)增大。測定了這兩組樣品的Kerr旋轉(zhuǎn)角譜。321O321321O321O321Oo.aoooao.da35 40 455D箔60 6.5 70濃S（物質(zhì)的駅分故）圖10 (CoFeB)/()納米復合膜的MOKE和Faraday旋轉(zhuǎn)與磁性物質(zhì)濃度關(guān)系的測定值圖10是I組樣品的Kerr旋轉(zhuǎn)角譜隨鐵磁相濃度的變化。測量中使用的磁場為15kOe，光能量為1.96eV(對于實線)。從圖可以看出，氧或氮雜質(zhì)的存在雖然對最大Kerr旋轉(zhuǎn)角有些影響，但并不很大，I-1和I-2的為0.25度，而I-3.77的為0.3度。這與上述各種納米粒子的Kerr旋轉(zhuǎn)角數(shù)值相當。所有3個樣品曲線的形狀基本上一致，而且分別在37%，40%和37.5%濃度處出現(xiàn)極大。由于這些磁性納米粒子的滲透閡值(percolationthreshold)約為46%,因此，所觀察到的極大與滲透過程無關(guān)。這些極大所處的磁性粒子濃度范圍，光學參數(shù)譜的響應(yīng)具有單調(diào)性，因而這種行為可能來源于干涉現(xiàn)象。這一點與上面的一些考慮類似。圖(c)中的虛線是Faraday效應(yīng)的測定結(jié)果，是在極大值濃度區(qū)域內(nèi)測定的，也與濃度呈單調(diào)變化(Faraday旋轉(zhuǎn)只能在磁性粒子的濃度小于42%下進行，因為高濃度時對光的吸收太強)。這佐證了極大值的來源可能是干涉的推論。作者用有效媒介理論公式計算后也支持這種說法。在光能量較大的2.54eV下測定的樣品I-lKerr效應(yīng)與濃度的關(guān)系，如圖(a)中的虛線所示。曲線形狀與1.96eV能量時的相同，但是有一個向低濃度的相對移動。這就是說，極大是與頻率有關(guān)的，但并不與所考慮濃度范圍內(nèi)納米復合物磁性變化有關(guān)。圖11(CoFeZr)/()納米復合膜的MOKE與磁性物質(zhì)濃度關(guān)系的測定值圖11是第二組樣品(CoFeZr)/(〖〗_2"O"_3)納米復合膜Kerr效應(yīng)與濃度的關(guān)系曲線。測試時磁場為15kOe，光能量為1.96eV。其中II-2的Kerr旋轉(zhuǎn)譜只在滲透闌值附近有一個極大值出現(xiàn)，作者認為這是納米復合物的典型情況。而樣品II-1在52%處仍然出現(xiàn)極大。這些納米復合物的光譜并無根本的差別，因而所觀察到的磁光性能的差別，來源于介電常數(shù)張量非對角線上元素由于在制備中加了磁場和未加磁場的不同。至于低濃度下樣品II-1譜出現(xiàn)振蕩，而樣品II-2卻沒有的事實，作者們也歸之于干涉作用所致。當然這是需要進一步工作和證實的。納米材料的吸附性能引言我國水資源的特點是總量大，人均量少。水資源的不足，加上地表水、淺層地下水的污染又減少了可供利用水資源的數(shù)量，形成了所謂的污染性缺水，造成了水荒。水污染對人體健康及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的持續(xù)發(fā)展帶來了很大的危害。水在循環(huán)過程中，沿途挾帶的各種有害物質(zhì)，可通過水的稀釋、擴散降低含量而實現(xiàn)無害化，這是水的自凈作用。但也可能由于水的流動交換而遷移，造成其他地區(qū)或更大范圍的污染。那么，我們需要對污水進行預處理才能將其排放到環(huán)境中去。在各種環(huán)境污染處理技術(shù)中，吸附法是廣泛應(yīng)用的方法。常用的吸附劑有活性炭、活性硅藻土、纖維、天然蒙托土、煤渣以及混凝劑等。納米材料是一種有著巨大應(yīng)用前景的吸附材料。納米科學技術(shù)是20世紀80年代末崛起并迅速發(fā)展起來的新科技。納米材料指尺寸大小為1~100nm的物質(zhì)材料，與普通的塊體材料相比，納米材料具有較大的比表面和較多的表面原子，因而顯示出較強的吸附特性。納米材料的吸附作用對于納米粒子的吸附作用，目前普遍認為：納米粒子表面的表面羥基作用。納米粒子的吸附作用主要是由于納米粒子的表面羥基作用。納米粒子表面存在的羥基能夠和某些陽離子鍵合，從而達到表觀上對金屬離子或有機物產(chǎn)生吸附作用另外，納米粒子具有大的比表面積，也是納米粒子吸附作用的重要原因。一種良好的吸附劑，必須滿足比表面積大，內(nèi)部具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的微孔通道，吸附容量大等條件，而顆粒的比表面積與顆粒的直徑成反比。比表面積粒子直徑減小到納米級，會引起比表面積的迅速增加。當粒徑為10nm時，比表面積為90m2/g；粒徑為5nm時，比表面積為180m2/g；粒徑下降到2nm時，比表面積猛增到450m2/g。由于納米粒子具有高的比表面積，使它具有優(yōu)越的吸附性能，在制備高性能吸附劑方面表現(xiàn)出巨大的潛力，提供了在環(huán)境治理方面應(yīng)用的可能性。納米金屬的吸附作用納米金屬的表面原子特別是處于邊和角上的原子有較高的化學活性，這些原子正是催化劑的活性中心，也是吸附劑的活性位點。由于納米金屬原子簇具有較高的表面能，屬于亞穩(wěn)態(tài)，有團聚的傾向。目前主要有以下2種方法改變其穩(wěn)定性：(1)用多孔的物質(zhì)如Al2O3、SiO2、碳質(zhì)材料和多聚物等作為載體，浸入金屬鹽溶液中，然后將金屬離子還原為零價納米金屬原子簇而固定在載體上。(2)納米金屬的表面修飾。用納米金屬作吸附劑的也有報道，Kanel等在N2保護下，用NaBH4還原FeC13制得了納米零價鐵即納米鐵，他們用納米鐵作為吸附劑對地下水中As(III)的吸附行為進行了研究，結(jié)果表明，As(III)的初始濃度和溶液的pH值對吸附有影響，最大吸附容量為3.5ngAs(III)/g納米鐵，并發(fā)現(xiàn)HC03-、H4SiO4和H2PO4-的存在對As(III)的吸附有干擾。納米氧化物的吸附作用許多納米氧化物表面展現(xiàn)出既具有Lewis堿又具有Lewis酸的特性，特別是在角和邊上。殘留的表面羥基和陰/陽離子空穴也能增加納米氧化物的表面活性。納米材料用于分離富集起步較晚，Vassileva等在1996年研究了比表面積大的TiO2作為固相萃取吸附劑對金屬離子吸附性能。結(jié)果表明，TiO2比常用的SiO2作為固相萃取劑具有許多優(yōu)點，主要是：高吸附容量、多元素同時吸附、能有效地吸附和洗脫及很好的重視性。馬萬紅等人利用流動注射微柱富集在線分析方法對Cr(W)離子在納米TiO2表面上的吸附動力學特征進行了原位表征,研究結(jié)果表明，納米TiO2對Cr(W)有強烈的吸附作用，當pH改變時，納米TiO2吸附的Cr(W)可被2mol/LHCl完全洗脫。Mallikarjuna等［2］用納米y-Fe2O3和硫脲的復合物作為吸附劑，對Pb2+吸附研究表明，該復合物顯示出較強吸附能力。納米氧化物分離富集技術(shù)與其他分析技術(shù)聯(lián)用，也是吸附劑研究的一個重要發(fā)展方向富勒烯的吸附作用富勒烯是一種閉合籠型的碳原子團簇。C60富勒烯作為吸附劑最令人感興趣的是它的選擇性。許多金屬離子能夠和1-吡咯基二硫代甲酸銨（APDC）形成絡(luò)合物，從而可以用C60富集。而鎘被選擇性地從共存的Cu、Pb、Zn和Fe等離子中分離出來并用原子吸收光譜檢測。C60富勒烯還被用于鎘、鉛和鎳的富集。碳納米管的吸附作用碳納米管（CNTs）是國內(nèi)外廣泛關(guān)注的一類碳材料，近年來逐漸成為水處理材料領(lǐng)域的一個研究熱點。碳納米管是日本科學家Iijima于1991年發(fā)現(xiàn)的一種晶型碳素材料，區(qū)別于傳統(tǒng)晶型碳素材料石墨和金剛石的二維結(jié)構(gòu)和三維結(jié)構(gòu)碳納米管呈一維管狀結(jié)構(gòu)，由一層或多層石墨片沿軸向卷曲成圓柱狀，兩端由半球形的端帽封閉，石墨層片內(nèi)的碳原子以C-C鍵相連，由一層石墨片層卷曲而成的稱為單壁碳納米管，由多層石墨片層卷曲而成的則稱為多壁碳納米管，多壁碳納米管層間以范德華力結(jié)合。碳納米管因具有獨特的電磁學、力學、光學和熱性能學而被用于儲氫材料、復合材料增強劑、催化劑載體、超導材料等領(lǐng)域。由于碳納米管獨特的納米管狀微觀結(jié)構(gòu)及其大比表面積、豐富孔隙結(jié)構(gòu)、獨特導電性能等特性，在水處理材料領(lǐng)域受到關(guān)注，自20世紀以來已被逐漸研究用作水處理吸附材料、催化材料以及吸附和催化材料載體。我國在世界范圍內(nèi)最早開展碳納米管對水中無機污染物吸附效能研究。碳納米管本身對無機污染物具有吸附能力，2003年清華大學的Li等⑷就開展了碳