《功能材料学概论》纳米材料1

热学特性 熔点降低 烧结温度降低
光学特性 宽频带强吸收 红移和蓝移
热学特性：
a. 熔点降低
Au的熔点：1336K；2nm的金粒子约在327K开始熔化 Ag的熔点：1233K，银纳米粒子在低于熔点373K熔化 Pb的熔点：600K， 20nm的铅粒子约在312K开始熔化 Cu的熔点：1326K ，40nm的铜粒子约在1023K开始熔 化。
表面原子数占全部原子数的比例和粒径之间的关系
量子尺寸效应
当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近 的电子能级由准连续变为离散能级的现象称为量 子尺寸效应。能带理论表明，金属费米能级附近 电子能级一般是连续的，这一点只有在高温或宏 观尺寸情况下才成立。对于只有有限个导电电子 的超微粒子来说，低温下能级是离散的。
3. 纳米材料的基本性质
小尺寸效应 表面与界面效应 量子尺寸效应
小尺寸效应
随着颗粒尺寸的量变，当纳米微粒的尺寸与光波的 波长、超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺 寸相当或更小时, 周期性的边界条件将被破坏，声、 光、电、磁、热、力学等特性均会出现质变。由于 颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小 尺寸效应。
2. 纳米材料的光学性质
纳米粒子的一个最重要的标志是尺寸与物理的特征量相差 不多，小颗粒的量子尺寸效应十分显著。与此同时，大的 比表面积使处于表面的原子、电子与处于小颗粒内部的原 子、电子的行为有很大的差别，这种表面效应和量子尺寸 效应对纳米微粒的光学特性有很大的影响，甚至使纳米微 粒具有同样物质的宏观大块物体不具备的新的光学持性
Wronski计算出Au微粒的粒径与熔点的关系：
纳米微粒的熔点比常规粉体低得多。这是由于纳 米微粒的尺寸小，表面能高、比表面原子数多， 这些表面原子近邻配位不全，活性大以及体积远 小于大块材料。纳米粒子熔化时所需增加的内能 小得多。这就使得纳米微粒熔点急剧下降。
b. 烧结温度降低
所谓烧结温度是指把粉末先用高压压制成形，然后在 低于熔点的温度下使这些粉末互相结合，密度接近于 材料的理论密度的温度。
一 . 纳米粉体材料的特性 二 . 纳米粉体材料—碳纳米管 三. 纳米氧化物粉体材料的应用 四. 纳米粉体材料的表征 五. 纳米粉体材料的制备
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。 （1） 特殊的光学性质 （2） 特殊的热学性质 （3） 特殊的磁学性质 （4）特殊的力学性质
表面与界面效应
纳米微粒尺寸小、表面大，位于表面的原子占 相当大的比例。下图表面原子数占全部原子数 的比例和粒径之间的关系。
STM针尖
硅表面
利用探针针尖与表面之间的各种相互作用，可以用 来分析高分辨率成像。
1986年Binning等人发明了原子力显微镜（AFM） STM 与ATM共同构成了现今称之为扫描探针显微 镜（SPM）的两大主体技术。
1990年IBM在Ni表面用35个氙原 子排出“IBM”
C60 铜表面
STM和AFM：观测到原子在物质表面的排列状态，对表 面科学、材料科学、生命科学以及微电子技术的研究 有着重大意义和重要应用价值
纳米材料和纳米技术
纳米材料：由尺寸在1～100nm间的粒子或晶粒组成的材料。 处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的微
观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典 型的宏观系统
将宏观物体细分成超微颗粒（纳米级）后，将显示出 许多奇异的特性，即光学、热学、电学、磁学、力学以及化 学方面的性质和大块固体时相比将会有显著的不同
Richard P. Feynman
“There is a plenty of room at the bottom”
... Why cannot we write the entire 24 volumes of the Encyclopedia Brittanica on the head of a pin? Let‘s see what would be involved. The head of a pin is a sixteenth of an inch across. If you magnify it by 25,000 diameters, the area of the head of the pin is then equal to the area of all the pages of the Encyclopaedia Brittanica. Therefore, all it is necessary to do is to reduce in size all the writing in the Encyclopaedia by 25,000 times. Is that possible? The resolving power of the eye is about 1/120 of an inch--that is roughly the diameter of one of the little dots on the fine half-tone reproductions in the Encyclopaedia. This, when you demagnify it by 25,000 times, is still 80 angstroms in diameter---32 atoms across, in an ordinary metal. In other words, one of those dots still would contain in its area 1,000 atoms ...
常规A12O3烧结温度在2073-2173K，在一定条件 下纳米Al2O3可在1423K-1773K烧结，致密度可达 99.7％。常规Si3N4烧结温度高于2273K，纳米氮 化硅烧结温度降低400-500K。
TiO2韦氏硬度随烧结温度的变化
纳米粒子尺寸小，表面能高，压制成块材后的界 面具有高能量，在烧结中高的界面能成为原子运 动的驱动力，有利于界面附近的原子扩散。因此， 在较低温度下烧结就能达到致密化目的。
G.Binning和H.Rohrer与电子显微镜的创制者E.Ruska 教授一起荣获1986年诺贝尔物理奖。
"for his fundamental work in electron optics, and for the design of the first electron microscope"
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X Axis Title
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（2）纳米氮化硅、SiC及Al2O3等纳米粒子对红外 有一个宽频带强吸收谱。
a. 尺寸分布效应。通常认为纳米材料的粒径有一定的分布，不 同颗粒的表面张力有差异，引起晶格畸变程度也不同。这就 导致纳米材料的键长有一个分布，认为这是引起红外吸收宽 化的原因之一。
人体辐射电磁波长 主要雷达波长
(1) 宽频带强吸收
大块金属——不同颜色的光泽：对可见光范围各种颜色(波 长)光的反射和吸收能力不同。
各种金属纳米微粒：黑色
对可见光的反射率极低，对可见光低反射率，强吸收率导
致粒子变黑。
hv
B
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-0.5-1.0 0Fra bibliotek-1.0
纳米技术：
纳米技术是90年代初迅速发展起来的新的前沿科研领域。 它是指在1--100nm尺度内，研究电子、原子和分子运动 规律、特性的高新技术学科。其最终目标是人类按照自 己的意志直接操纵单个原子、分子，制造出具有特定功 能的产品。
纳米技术主要包括为微型电动机械系统(minisize electromotion mechanism system，MEMS)；纳米电子学 和纳米生物药物学等。
"for their design of the scanning tunneling microscope”
IBM Zurich Research Laboratory Rü schlikon, Switzerland
Ernst Ruska
Gerd Binnig
Heinrich Rohrer
...Just imagine, materials with 10 times the strength of steel and only a fraction of the weight; shrinking all the information at the Library of Congress into a device the size of a sugar cube; detecting cancerous tumors that are only a few cells in size ...
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原子分子团簇 微观体系
电子显微镜 纳米颗粒
光学显微镜
超微颗粒
粉体
介观体系
宏观体系
各种颗粒的粒径范围
b. 纳米固体
纳米固体是由纳米微粒聚集而成的凝聚体 与普通材料相比，纳米材料的界面体积显著提高
纳米固体的分类：
按几何形态分：
纳米纤维材料 纳米薄膜材料 纳米块体材料
第一节 纳米材料和纳米技术简介 第二节 纳米粉体材料 第三节 纳米块体材料
第一节 纳米材料和纳米技术简介 1. 纳米材料和纳米技术的兴起与发展 2. 纳米材料的分类 3. 纳米材料的基本性质 第二节 纳米粉体材料 第三节 纳米块体材料
1.纳米材料和纳米技术的兴起与发展