關(guān)于納米材料及其基本性質(zhì)第一頁，共七十頁，編輯于2023年，星期三2一、納米材料學(xué)關(guān)于納米材料的性質(zhì)、合成、結(jié)構(gòu)及其變化規(guī)律和應(yīng)用的一門學(xué)科。納米粉體材料及其衍生材料的工藝技術(shù)路線結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系基礎(chǔ)應(yīng)用等第一節(jié)納米材料2第二頁，共七十頁，編輯于2023年，星期三3二、納米材料三維空間中至少有一維尺寸小于100nm的材料或由它們作為基本單元構(gòu)成的具有特殊功能的材料。分類方法：維度（數(shù)）、材料的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、性能等3第三頁，共七十頁，編輯于2023年，星期三42.1維數(shù)0維：

指在空間3維尺度均在納米尺度1維：指在空間有2維處于納米尺度2維：指在空間中有1維在納米尺度3維：納米固體，由納米微粒組成的體相材料ABC4第四頁，共七十頁，編輯于2023年，星期三52.1維數(shù)0維：

指在空間3維尺度均在納米尺度51985年，科爾、科羅脫和斯麥利發(fā)現(xiàn)了C60團(tuán)簇，也叫巴基球，C60直徑大約是1納米。第五頁，共七十頁，編輯于2023年，星期三61維：指在空間有兩維處于納米尺度納米管納米線納米棒6第六頁，共七十頁，編輯于2023年，星期三72維：指在空間中有1維在納米尺度7納米膜——納米膜分為顆粒膜與致密膜顆粒膜是納米顆粒粘在一起，中間有極為細(xì)小的間隙的薄膜致密膜指膜層致密但晶粒尺寸為納米級的薄膜?？捎糜冢簹怏w催化（如汽車尾氣處理）材料；過濾器材料；平面顯示器材料；超導(dǎo)材料等。第七頁，共七十頁，編輯于2023年，星期三83維：納米塊體材料由納米微粒組成的體相材料由大量納米微粒在保持表（界）面清潔條件下組成的三維系統(tǒng)，其界面原子所占比例很高單相微粒組成的納米相材料；兩種或以上的相微粒組成的納米復(fù)合材料8第八頁，共七十頁，編輯于2023年，星期三92－D量子阱1－D量子線0－D量子點3－D大塊材料9第九頁，共七十頁，編輯于2023年，星期三10按材料的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、性能、來源可有不同的分類方法化學(xué)組成：納米金屬、納米晶體、納米陶瓷、納米玻璃、納米高分子和納米復(fù)合材料。按材料物性：納米半導(dǎo)體、納米磁性材料、納米非線性光學(xué)材料、納米鐵電體、納米超導(dǎo)材料按應(yīng)用：納米電子材料、納米光電子材料、納米生物醫(yī)用材料、納米敏感材料、納米儲能材料等。10第十頁，共七十頁，編輯于2023年，星期三11三、納米粉體超微粉體微米粉體（1～100μm）亞微米粉體（0.1～1μm）納米粉體（1～100nm）（0.001～0.1μm）11納米微粒是指尺度處于1~100nm之間的粒子的集合體，是處于該幾何尺寸的各種粒子集合體的總稱。第十一頁，共七十頁，編輯于2023年，星期三12特性：1)粒度細(xì)2)比表面積大3)分布均勻4)表面活性高應(yīng)用廣：高檔涂料新型陶瓷微電子及信息材料添加劑12第十二頁，共七十頁，編輯于2023年，星期三13納米粉體示例：納米金屬粉體（Cu）納米氧化物(金屬、非金屬、兩性)13第十三頁，共七十頁，編輯于2023年，星期三14納米金屬硫化物納米碳（硅）化物14第十四頁，共七十頁，編輯于2023年，星期三15【例】納米透明隔熱涂料

納米氧化銦錫、氧化錫銻、摻鋁氧化鋅

第十五頁，共七十頁，編輯于2023年，星期三16在可見光區(qū)均有較高的透過率(80%~90%),ITO用量提高,可見光透過率略有下降。在波長大于800nm的近紅外區(qū)透過率開始下降,波長在1500nm以上的紅外光透過率幾乎為零第十六頁，共七十頁，編輯于2023年，星期三17四、納米材料的研究內(nèi)容系統(tǒng)地研究納米材料的微結(jié)構(gòu)，通過和常規(guī)材料對比，找出納米材料特殊的規(guī)律，建立描述和表征納米材料的新概念和新理論。發(fā)展新型納米材料。目前，納米材料應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)問題是在大規(guī)模制備的質(zhì)量控制中,如何做到均勻化、分散化、穩(wěn)定化。根據(jù)性質(zhì)設(shè)計各種特殊功能納米材料。17第十七頁，共七十頁，編輯于2023年，星期三18表面效應(yīng)小尺寸效應(yīng)量子尺寸效應(yīng)宏觀量子隧道效應(yīng)第二節(jié)納米材料的基本性質(zhì)物理性能化學(xué)性能表面活性及敏感性催化性能18第十八頁，共七十頁，編輯于2023年，星期三19一、表面效應(yīng)納米粒子的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨著粒子尺寸的減小而顯著增加，粒子的表面能及表面張力隨著增加，物理、化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。10納米1納米0.1納米隨著尺寸的減小，表面積迅速增大19第十九頁，共七十頁，編輯于2023年，星期三20粒度減小引起的表面效應(yīng)（納米粒子）粒度減小比表面積增大粒度減小表面原子所占比例增大表面原子比物質(zhì)內(nèi)部原子具有更高的比表面能表面原子比物質(zhì)內(nèi)部原子具有更高活性和化學(xué)反應(yīng)性

第二十頁，共七十頁，編輯于2023年，星期三21比表面：把物質(zhì)分散成細(xì)小微粒的程度稱為分散度常用比表面來表示多相分散體系的分散程度單位質(zhì)量的物質(zhì)所具有的表面積單位體積的物質(zhì)所具有的表面積21第二十一頁，共七十頁，編輯于2023年，星期三22邊長l/m

立方體數(shù)比表面Av/（m2/m3）1×10-216×102

1×10-31036×103

1×10-51096×105

1×10-710156×107

1×10-910216×109

【例】把邊長為1cm的立方體1cm3逐漸分割成小立方體時，比表面增長情況列于下表：22《第二十二頁，共七十頁，編輯于2023年，星期三2323表面原子所占比例增大表面能增大

在T和P組成恒定時，可逆地使表面積增加dA所需的功叫表面功《第二十三頁，共七十頁，編輯于2023年，星期三24應(yīng)用表面粒子活性高—>納米粉體活性高*納米微粒催化劑納米Ni作有機(jī)物氫化催化劑，比普通Ni催化劑效率高十倍*自潔玻璃:玻璃+納米TiO2涂層

----催化碳?xì)浠衔锏倪M(jìn)一步氧化*汽車尾氣凈化劑

----納米Fe、Ni與r-Fe2O3混合燒結(jié)后可代替貴金屬24第二十四頁，共七十頁，編輯于2023年，星期三25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(yīng)。

（1）特殊的光學(xué)性質(zhì)

（2）特殊的熱學(xué)性質(zhì)

（3）特殊的磁學(xué)性質(zhì)

（4）特殊的力學(xué)性質(zhì)25二、小尺寸效應(yīng)第二十五頁，共七十頁，編輯于2023年，星期三26小尺寸效應(yīng)產(chǎn)生原因：當(dāng)納米顆粒的尺寸與光波波長、德布羅意波長以及超導(dǎo)

態(tài)的相干長度或透射深度等物理特征尺寸相當(dāng)或更小時晶體周期性的邊界條件被破壞，非晶態(tài)納米顆粒表面層

附近原子密度減小這將導(dǎo)致聲、光、電磁、熱力學(xué)等特性均會出現(xiàn)新的

尺寸效應(yīng)26一質(zhì)量m=0.05㎏的子彈,以速率v＝300m/s運動著,其德布羅意波長為多少?

第二十六頁，共七十頁，編輯于2023年，星期三27

納米顆粒大的比表面導(dǎo)致了平均配位數(shù)下降，不飽和鍵和懸鍵增多，使得界面極化，吸收頻帶展寬。在紅外光場作用下，納米顆粒對紅外吸收的頻率存在一個較寬的分布，導(dǎo)致納米顆粒的紅外吸收帶的寬化。1、寬頻帶強吸收2.1光學(xué)性質(zhì)

27第二十七頁，共七十頁，編輯于2023年，星期三28納米吸波復(fù)合材料高效光熱、光電轉(zhuǎn)換材料28第二十八頁，共七十頁，編輯于2023年，星期三29

藍(lán)移：吸收帶向短波方向移動納米顆粒的吸收帶普遍存在“藍(lán)移”現(xiàn)象的原因：量子尺寸效應(yīng)；表面效應(yīng)2、藍(lán)移和紅移現(xiàn)象

29ＡBCD第二十九頁，共七十頁，編輯于2023年，星期三303、納米粒子發(fā)光蝴蝶翅膀的色彩30產(chǎn)生原因：半導(dǎo)體具有窄的直接躍遷的帶隙，因此在光激發(fā)下電子容易躍遷引起發(fā)光第三十頁，共七十頁，編輯于2023年，星期三31Fe(OH)3膠體丁達(dá)爾效應(yīng)示意圖光源凸透鏡光錐31第三十一頁，共七十頁，編輯于2023年，星期三32優(yōu)點1.增加活性成分吸收率、使產(chǎn)品更好吸收、效果發(fā)揮更快2.使活性成分更精確的到達(dá)皮膚深層發(fā)揮作用3.大大降低刺激性及過敏發(fā)生機(jī)會4.較少的劑量就可以達(dá)到更高效率效果小體積效應(yīng)引發(fā)的商機(jī)護(hù)膚品32第三十二頁，共七十頁，編輯于2023年，星期三331、納米顆粒的熔點物質(zhì)熔點下降金納米微粒的粒徑與熔點的關(guān)系2.2熱學(xué)性能33第三十三頁，共七十頁，編輯于2023年，星期三34物質(zhì)熔點下降的程度：△T：塊狀物質(zhì)熔點(T0)與納米顆粒熔點(T)之差；γSL：為固液界面張力；ρ：密度；△H為熔化熱；r為顆粒粒徑。

納米顆粒熔點下降的原因：熔化時所需增加的內(nèi)能小得多，這使得納米顆粒熔點急劇下降。

第三十四頁，共七十頁，編輯于2023年，星期三352、納米顆粒的蒸汽壓上升式中：P、P0：分別為納米顆粒和塊狀物質(zhì)的蒸汽壓；M：摩爾質(zhì)量；R：為氣體常數(shù)；T：為絕對溫度35第三十五頁，共七十頁，編輯于2023年，星期三363、納米顆粒的燒結(jié)溫度降低

原因：

界面具有高能量，在燒結(jié)中高的界面能成為原子運動的驅(qū)動力

36第三十六頁，共七十頁，編輯于2023年，星期三374、納米顆粒的結(jié)晶溫度降低

納米顆粒開始長大的溫度隨粒徑的減小而降低，即非晶納米顆粒的晶化溫度降低。納米顆粒的熔點、開始燒結(jié)溫度和晶化溫度均隨粒徑的減少而有較大幅度的降低，而蒸汽壓則有較大幅度的升高。37第三十七頁，共七十頁，編輯于2023年，星期三38納米顆粒的小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)等使得它具有常規(guī)固體材料所不具備的磁特性超微顆粒的磁特性可以歸納如下：超順磁性高矯頑力居里溫度

下降比磁化率2.3磁學(xué)性能參考書：納米材料和納米結(jié)構(gòu)/張立德,牟季美著

科學(xué)出版社

200138第三十八頁，共七十頁，編輯于2023年，星期三391）

矯頑力——納米顆粒尺寸高于超順磁臨界尺寸

時通常呈現(xiàn)高的矯頑力HC使已被磁化后的鐵磁體的磁感應(yīng)強度降為零所必須施加的磁場強度39第三十九頁，共七十頁，編輯于2023年，星期三402）超順磁性

當(dāng)顆粒尺寸小到一定臨界值時，物質(zhì)的磁化率隨著溫度的變化不會發(fā)生突變，即進(jìn)入一種超順磁狀態(tài)特點是：納米顆粒的磁化率χ不再服從居里一外斯定律，χ在

居里點附近沒有明顯的突變值。C為居里常數(shù)；TC為居里溫度

（鐵電體從鐵電相轉(zhuǎn)變成順電相引的相變溫度）40第四十頁，共七十頁，編輯于2023年，星期三41【例】納米微粒的其它磁特性

①納米金屬Fe（5nm）飽和磁化強度比常規(guī)α－Fe低40％，其比飽和磁化強度隨粒徑的減小而下降②單晶FeF2由順磁轉(zhuǎn)變?yōu)榉磋F磁的奈耳溫度范圍很窄，只有2K，而納米FeF2（10nm）在78～88K由順磁轉(zhuǎn)變?yōu)榉磋F磁，即有一個寬達(dá)12K的奈耳溫度范圍；③1988年日本發(fā)現(xiàn)納米合金Fe－Si－Bi－Cu（20～50nm）具有好的軟磁性能，可用作高頻轉(zhuǎn)換器，其芯耗低至200mW／cm3，有效磁導(dǎo)率高于108。當(dāng)晶粒度大于100nm時，上述軟磁性能消失。④Sb通常為抗磁性，其χ＜0，但納米微晶的χ＞0，表現(xiàn)出順磁性41第四十一頁，共七十頁，編輯于2023年，星期三42生物導(dǎo)航能力的秘密海龜遷徙蜜蜂飛行磁感細(xì)菌42第四十二頁，共七十頁，編輯于2023年，星期三43納米陶瓷納米銅2.4力學(xué)性能超塑延展性43第四十三頁，共七十頁，編輯于2023年，星期三44當(dāng)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(zhǔn)連續(xù)能級變?yōu)殡x散能級的現(xiàn)象和納米半導(dǎo)體微粒存在不連續(xù)的最高被占據(jù)軌道和最低被占據(jù)的分子軌道能級，能隙變寬的現(xiàn)象44三、量子尺寸效應(yīng)第四十四頁，共七十頁，編輯于2023年，星期三451.原子中電子的能級量子化：量子力學(xué)中，某一物理量的變化不是連續(xù)

的，稱為量子化。如：各種元素都具有自己特定的光譜線，如氫原子

和鈉原子分立的光譜線。45第四十五頁，共七十頁，編輯于2023年，星期三46對于宏觀物體包含無限個原子(即導(dǎo)電電子數(shù)N→∞)。久保公式：能級間距δ→0，費米能級(EF)大粒子或宏觀物體能級間距幾乎為零------以能帶形式存在462.電子能級的不連續(xù)性-久保理論第四十六頁，共七十頁，編輯于2023年，星期三473.納米微粒的能級分裂納米微粒所包含原子數(shù)有限，N值很小，導(dǎo)致能級間距δ有一定的值，隨著N的減小，能級間距δ變大，即能級發(fā)生分裂。當(dāng)能級間距大于熱能kBT、靜磁能μ0μBH、靜電能edE、光子能量hv或超導(dǎo)態(tài)的凝聚能時，必須要考慮量子尺寸效應(yīng)，這會導(dǎo)致納米微粒磁、光、聲、熱、電以及超導(dǎo)電性與宏觀特性有著顯著的不同。47第四十七頁，共七十頁，編輯于2023年，星期三484.費米能級費米-荻拉克分布函數(shù)48能級間隔增大，費米能級附近的電子移動困難，從而使能隙變寬，金屬導(dǎo)體將變?yōu)榻^緣體。第四十八頁，共七十頁，編輯于2023年，星期三4949說明：金屬費米能級附近電子能級一般是連續(xù)的，這一點只有在高溫或宏觀尺寸情況下才成立。對于只有有限個導(dǎo)電電子的超微粒子來說，低溫下能級是離散的。第四十九頁，共七十頁，編輯于2023年，星期三50【例】：Ag微粒為例計算在1K時出現(xiàn)量子尺寸效應(yīng)(導(dǎo)體—絕緣體)的臨界粒徑d0，Ag的電子密度：n=6x1022/cm3

，h為普朗克常數(shù)，6.63×10-34J?s，m為電子的靜止質(zhì)量，9.108×10-31kg，由久保公式：已知：得到（ＥF費米能級）/kB=(1.45x10-18)/V(Kcm3)50第五十頁，共七十頁，編輯于2023年，星期三51如果取δ/kB=1K，微粒直徑為d，代入上式，求得d0＝14nm。根據(jù)久保理論，只有δ＞kBT(熱運動能)時才會產(chǎn)生能級分裂，從而出現(xiàn)量子尺寸效應(yīng)，即/kB=(1.45x10-18)/V

>151第五十一頁，共七十頁，編輯于2023年，星期三52由此得出，1K時，當(dāng)粒徑do＜14nm，Ag納米微?？梢杂蓪?dǎo)體變?yōu)榻^緣體，如果溫度高于1K，則要求do<<14nm才有可能變?yōu)榻^緣體。實驗表明，納米Ag的確具有很高的電阻，類似于絕緣體，這就是說，納米Ag滿足上述兩個條件。隨著尺度的降低，準(zhǔn)連續(xù)能帶消失，在量子點出現(xiàn)完全分離的能級。52第五十二頁，共七十頁，編輯于2023年，星期三53晶體中大量的原子集合在一起，而且原子之間距離很近，致使離原子核較遠(yuǎn)的殼層發(fā)生交疊，這種現(xiàn)象稱為電子的共有化。本來處于同一能量狀態(tài)的電子產(chǎn)生微小的能量差異，與此相對應(yīng)的能級擴(kuò)展為能帶535.能帶理論第五十三頁，共七十頁，編輯于2023年，星期三54*禁帶（ForbiddenBand）：允許被電子占據(jù)的能帶稱為允許帶，允許帶之間的范圍是不允許電子占據(jù)的，此范圍稱為禁帶。被電子占滿的允許帶稱為滿帶，每一個能級上都沒有電子的能帶稱為空帶54第五十四頁，共七十頁，編輯于2023年，星期三5555價帶（ValenceBand）：原子中最外層的電子稱為價電子，與價電帶。導(dǎo)帶（ConductionBand）：價帶以上能量最低的允許帶稱為導(dǎo)帶。導(dǎo)帶的底能級表示為Ec，價帶的頂能級表示為Ev，Ec與Ev之間的能量間隔為禁帶Eg第五十五頁，共七十頁，編輯于2023年，星期三56半導(dǎo)體和金屬的原子、微粒和塊體的能帶結(jié)構(gòu)。在半導(dǎo)體中，費米能級位于導(dǎo)帶和價帶之間，帶邊決定了低能光電性質(zhì)，帶隙光激發(fā)強烈依賴于粒子的尺寸；而在金屬里，費米能級位于導(dǎo)帶的中心，導(dǎo)帶的一半被占據(jù)(圖中黑色部分)。金屬超細(xì)微粒費米面附近的電子能級變?yōu)榉至⒌哪芗墸霈F(xiàn)能隙。56第五十六頁，共七十頁，編輯于2023年，星期三57四、宏觀量子隧道效應(yīng)

隧道效應(yīng)：微觀粒子具有貫穿勢壘的能力。宏觀量子隧道效應(yīng)：顆粒的一些宏觀物理量，如微磁化強度，量子相干器件中的磁通量等亦具有隧道效應(yīng)，稱其為宏觀量子隧道效應(yīng)。

57第五十七頁，共七十頁，編輯于2023年，星期三58思考題簡述納米材料的基本物理性能？表面效應(yīng)的概念及其成因？舉例說明小體積效應(yīng)的應(yīng)用。納米材料的線性光學(xué)性質(zhì)主要有哪些？第五十八頁，共七十頁，編輯于2023年，星期三59五、納米顆粒的化學(xué)特性1.表面活性及敏感性固體火箭的燃料、催化劑；利用表面活性，金