1、在2020年8月9日，1，納米顆粒具有大的表面積，表面原子的數(shù)量，表面能和表面張力隨著顆粒尺寸的減小而急劇增加。小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)導(dǎo)致納米粒子的熱、磁、光、敏感特性和表面穩(wěn)定性不同于常規(guī)粒子，具有廣闊的應(yīng)用前景。在第四章中，納米顆粒的物理性質(zhì)，8/9/2020，2，4.1的熱性質(zhì)，納米顆粒的熔點(diǎn)，燒結(jié)溫度和結(jié)晶溫度都遠(yuǎn)低于常規(guī)粉末。由于粒子小，納米粒子的表面能高，比表面原子的數(shù)量多，這些表面原子的配位不完全，活性大，而且納米粒子的體積遠(yuǎn)小于塊體材料，所以納米粒子的熔點(diǎn)急劇下降。8/9/2020，3，大Pb mp=600K d=d10nm Pb粒子mp=288K

2、 nm Ag mp=373K常規(guī)Ag mp=1173K，例如，8/9/2020，4，Wronskt計(jì)算了Au粒子的粒度與mp之間的關(guān)系，結(jié)果如圖所示。當(dāng)D3-5納米時(shí)，熔點(diǎn)開(kāi)始急劇下降。2020年9月8日。所謂的燒結(jié)溫度是指粉末在高壓下壓制成型，然后這些粉末在低于熔點(diǎn)的溫度下結(jié)合成塊，密度接近傳統(tǒng)材料的最低加熱溫度。燒結(jié)溫度：8/9/2020，6。納米粒子體積小，表面能高。被壓入塊后的界面具有高能量。高界面可以成為燒結(jié)過(guò)程中原子運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力，有利于界面空穴的收縮和空位團(tuán)的湮滅。因此，在較低溫度下燒結(jié)可以達(dá)到致密化的目的，即降低燒結(jié)溫度。2020年9月8日。在一定條件下，1423K時(shí)納米Al2O

3、3的燒結(jié)密度可達(dá)99.7%。常規(guī)Si3N4的燒結(jié)溫度高于2273K，納米Si3N4的燒結(jié)溫度降低了673K，如8/9/2020，8。納米二氧化鈦在773K加熱時(shí)明顯致密，但晶粒尺寸僅略有增加，因此在873K燒結(jié)時(shí)可達(dá)到相近的硬度例如，2020年8月9日，9，無(wú)定形氮化硅在1793K結(jié)晶。納米非晶氮化硅在1673K下加熱4h，全部轉(zhuǎn)化為非晶氮化硅。納米顆粒生長(zhǎng)的初始溫度隨著顆粒尺寸的減小而降低。無(wú)定形納米粒子的結(jié)晶溫度低于常規(guī)粉末的結(jié)晶溫度，8/9/2020，10。從圖中可以看出，粒徑為8納米、15納米和35納米的Al2O3顆粒的起始溫度分別為1073千、1273千、1423千和1423千。1，

4、8納米；2.15納米；3，35 nm，8/9/2020，11，4.2納米顆粒的磁性、小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)使其具有常規(guī)顆粒材料所不具有的磁性，可概括如下：8/9/2020，12，順磁性體：指磁化率為小正數(shù)的物體，它與溫度成正比。T=0C/t0 :真空磁導(dǎo)率=4x10-7heng /m C:常數(shù)，超順磁性，8 這種固體的磁化率是一個(gè)非常大的正數(shù)，即使在某一臨界溫度Tc以下沒(méi)有外磁場(chǎng)，材料中也會(huì)出現(xiàn)自發(fā)磁化，并且在溫度高于Tc時(shí)會(huì)變成順磁性。 磁化率遵循居里韋斯定律：=0C/(T-Tc) C:常數(shù)Tc:居里溫度0=410-7亨利/米真空磁導(dǎo)率，鐵磁體：8/9/2020，14。我們知道鐵

5、、Fe3O4和-Fe2O3都是鐵磁體，當(dāng)它們的粒徑達(dá)到一定的臨界值時(shí)，它們就進(jìn)入超順磁性狀態(tài)。磁化強(qiáng)度Mp可以用朗之萬(wàn)公式來(lái)描述。8/9/2020，15，對(duì)于H/kBT 1，Mp2/3kBT是粒子的磁矩，在居里點(diǎn)附近沒(méi)有明顯的值突變。例如，d=85 nm的鎳顆粒具有高矯頑力Hc，并遵循居里韋斯定律。D=15nm納米鎳顆粒Hc0，表明它們已經(jīng)進(jìn)入超順磁性狀態(tài)。8/9/2020，16，Hc與鎳顆粒粒徑D的關(guān)系曲線，8/9/2020，17，圖3.9粒徑為85納米、13納米和9納米的鎳的伏安曲線是與交流磁化率有關(guān)的檢測(cè)電信號(hào)。有可能，8/9/2020，18，超順磁性狀態(tài)的起源可歸因于以下原因：在小尺寸

6、中，當(dāng)各向異性能量減小到與熱運(yùn)動(dòng)能量相當(dāng)時(shí)，磁化方向不再固定在一個(gè)磁化方向上，并且易磁化方向不規(guī)則地變化，導(dǎo)致超順磁性。不同種類的納米磁性粒子表現(xiàn)出不同的超順磁性臨界尺寸。矯頑力：當(dāng)納米粒子的尺寸高于超順磁性的臨界尺寸時(shí)，它通常表現(xiàn)出高矯頑力Hc。例如，鐵納米粒子是通過(guò)惰性氣體的蒸發(fā)和冷凝制備的，矯頑力隨著顆粒尺寸的減小而顯著增加，這可以用矯頑力與顆粒尺寸和溫度之間的關(guān)系來(lái)解釋。2020年9月8日。從圖中可以看出，粒徑為16納米的鐵顆粒的Hc在5.5K時(shí)達(dá)到1.27105A/m，在室溫下達(dá)到7.96104A/m。而鐵塊的矯頑力低于79.62A/m.在5.5K、100K下測(cè)得的Hc均隨d的降低而

7、增加。Hc隨著溫度的升高而降低。8/9/2020，21，納米鐵鈷的Hc為1.64103 A/m。這主要是因?yàn)楫?dāng)顆粒尺寸小到一定尺寸時(shí)，每個(gè)顆粒都是單個(gè)磁疇。例如，F(xiàn)e和Fe3O4的單個(gè)磁疇的臨界尺寸分別為12納米和40納米，并且每個(gè)單個(gè)磁疇的納米粒子實(shí)際上變成了永磁體。為了使這個(gè)磁鐵的磁化反轉(zhuǎn)，每個(gè)粒子的磁矩必須反轉(zhuǎn)，這需要一個(gè)大的反轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，也就是說(shuō)，一個(gè)高矯頑力。居里溫度Tc是材料磁性的一個(gè)重要參數(shù)，它通常與交換積分Je成正比，并與原子構(gòu)型和間距有關(guān)。對(duì)于薄膜，理論和實(shí)驗(yàn)研究表明，居里溫度隨著鐵磁薄膜厚度的減小而降低。至于納米粒子，由于小尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)，它們的磁性能發(fā)生變化，并且它們具有

8、較低的居里溫度，8/9/2020，23，磁化率。納米粒子的磁性與其中包含的電子總數(shù)的奇偶性密切相關(guān)，每個(gè)粒子的電子可以看作一個(gè)系統(tǒng)。電子數(shù)的奇偶性可以是奇數(shù)或偶數(shù)。單價(jià)金屬顆粒，一半稱為奇數(shù)，另一半稱為偶數(shù)；二價(jià)金屬顆粒的尺寸稱為偶數(shù)。8/9/2020、24，具有奇數(shù)或偶數(shù)個(gè)電子的粒子的磁性具有不同的溫度特性。具有奇數(shù)個(gè)電子的粒子的磁化率服從居里-維斯定律，由于=C/(T-Tc)的量子尺寸效應(yīng)，磁化率服從d-3定律。8/9/2020，25，納米磁性金屬的價(jià)值是常規(guī)金屬的20倍。磁性納米粒子還具有許多其他磁性。例：8納米鐵的飽和磁化強(qiáng)度比常規(guī)鐵低40%，在電子數(shù)為偶數(shù)的系統(tǒng)中，KT遵循d2定律。

9、2020年8月9日，26日，納米鐵的比飽和磁化強(qiáng)度隨著粒徑的減小而減小。在15納米以下顯著降低，8/9/2020，27，4.3光學(xué)特性，納米粒子最重要的標(biāo)志之一是尺寸與物理特性量相似。例如，當(dāng)納米粒子的粒徑與超導(dǎo)相干波長(zhǎng)、玻爾半徑和電子的德布羅意波長(zhǎng)相同時(shí)，小粒子的量子尺寸效應(yīng)非常顯著。2020年9月8日。同時(shí)，大的比表面積使得原子和電子在表面狀態(tài)下的行為與在小粒子中的行為非常不同。這種表面效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)對(duì)納米粒子的光學(xué)性質(zhì)有很大的影響，甚至使納米粒子具有相同材料的宏觀塊體所不具備的新的光學(xué)性質(zhì)。8/9/2020，29，寬帶強(qiáng)吸收，a .納米金屬?gòu)?qiáng)吸收大塊金屬具有不同顏色的光澤，這表明它們

10、對(duì)可見(jiàn)光范圍內(nèi)的各種顏色(波長(zhǎng))具有不同的反射和吸收能力(我們看到反射最強(qiáng)的顏色)。當(dāng)尺寸縮小到納米尺度時(shí)，所有種類的金屬納米粒子幾乎都是黑色的，它們對(duì)可見(jiàn)光的反射率極低。例如，鉑納米粒子的反射率為1%，金納米粒子的反射率小于10%。這種對(duì)可見(jiàn)光的低反射率和強(qiáng)吸收率導(dǎo)致顆粒變黑。8/9/2020、30，納米氮化硅、碳化硅和氧化鋁粉末具有寬帶強(qiáng)吸收這是因?yàn)榧{米粒子的大比表面積導(dǎo)致平均配位數(shù)減少，不飽和鍵和懸掛鍵增加。與傳統(tǒng)的散裝材料不同，不存在單一的優(yōu)選粘合振動(dòng)模式，而是廣泛分布的粘合振動(dòng)模式。在紅外光場(chǎng)的作用下，它們的紅外吸收頻率也有較寬的分布，這導(dǎo)致納米粒子的紅外吸收帶變寬。2020年8月9

11、日，31攝氏度。強(qiáng)紫外線吸收。許多納米粒子，如氧化鋅、氧化鐵和二氧化鈦，對(duì)紫外光有很強(qiáng)的吸收能力。這些納米氧化物對(duì)紫外光的吸收主要來(lái)自它們的半導(dǎo)體性質(zhì)，即在紫外光的照射下，電子被激發(fā)吸收由價(jià)帶向?qū)мD(zhuǎn)變而產(chǎn)生的紫外光。2020年9月8日，32，藍(lán)移和紅移。與塊體材料相比，納米粒子的吸收帶一般具有“藍(lán)移”現(xiàn)象，即吸收帶向短波長(zhǎng)方向移動(dòng)。紅外吸收藍(lán)移，8/9/2020，33，例：納米碳化硅顆粒的紅外吸收頻率為814cm-1，塊狀碳化硅固體的紅外吸收頻率為794cm-1。與塊狀固體相比，納米碳化硅顆粒的紅外吸收頻率藍(lán)移20厘米-1。納米Si3N4顆粒的紅外吸收頻率峰值為949cm-1，塊體Si3N4

12、固體的紅外吸收頻率峰值為935cm-1，相對(duì)運(yùn)動(dòng)為14cm-1。8/9/2020，34，不同粒徑硫化鎘納米粒子的吸收光譜和可見(jiàn)光區(qū)的吸收藍(lán)移。從圖中可以看出，隨著粒徑的減小(即藍(lán)移)，吸收邊向短波方向移動(dòng)。8/9/2020，35，體PbS的帶隙較窄，吸收帶為近紅外，但體PbS中激子玻爾半徑較大(大于10 nm)。43 nm b=2/E2 (1/me 1/mh) me-1，mh分別是電子和空穴的有效質(zhì)量，這使得觀察介電常數(shù)的量子限制更容易。當(dāng)它的尺寸小于3納米時(shí)，吸收光譜轉(zhuǎn)移到可見(jiàn)光區(qū)。(表示明顯的藍(lán)移)。8/9/2020，36，量子尺寸效應(yīng)：隨著粒子尺寸的減小，能隙變寬，這導(dǎo)致光吸收帶向短波方

13、向移動(dòng)。Ball等人對(duì)此藍(lán)移現(xiàn)象給出了一個(gè)普遍的解釋：占據(jù)分子軌道能級(jí)和未占據(jù)分子軌道能級(jí)之間的寬度(能隙)隨著粒子直徑的減小而增加，這是藍(lán)移的根本原因。這個(gè)解釋適用于半導(dǎo)體和絕緣體。對(duì)于納米粒子吸收帶的藍(lán)移有幾種解釋，可以歸納為兩個(gè)方面：8/9/2020，37。因?yàn)榧{米粒子的尺寸很小，大的表面張力扭曲了晶格并降低了晶格常數(shù)。對(duì)納米氧化物和氮化物顆粒的研究表明，第一和第二相鄰顆粒之間的距離變短?？s短鍵長(zhǎng)度導(dǎo)致納米粒子的鍵固有振動(dòng)頻率增加，結(jié)果，紅外吸收帶向高波數(shù)移動(dòng)。(化學(xué)鍵的振動(dòng))，表面效應(yīng)，8/9/2020，38，但是在某些情況下，當(dāng)顆粒尺寸減小到納米尺度時(shí)，可以觀察到與粗顆粒材料相比，光吸收帶顯示出“紅移”現(xiàn)象，即吸收帶移動(dòng)到長(zhǎng)波長(zhǎng)。它們的峰位置是：3.523.25 2.952.752.15 1.951.751.13 eV NiO(納米5484nm)3.302.932.78 2.25 1.921.721.07 eV，藍(lán)移和紅移，8/9/2020，39，因?yàn)楣馕諑У奈恢檬芊逦恢玫挠绊?。如果藍(lán)移的影響大于紅移的影響，則吸