纳米晶体产生各种物体的形状
纳米晶体、纳米管、纳米球的制备及应用编者按：纳米技术的发展日新月异。
本文编译了在美国加利福尼亚大学的Berkeley 实验室中最新纳米晶体、纳米管、高聚纳米球的研究成果，以供读者参考。
第一章 纳米晶体的制备及应用第二章 超硬、超强、超级使用的纳米管第三章 树丛状纳米球的制备及应用第一章 纳米晶体的制备及应用因为采纳米技术可能甚至容易制造非常完美的纳米晶体，因而倍受建造大结构部件的亲昧。
化学家Paul Alivisato 共同负责Berkeley 实验室材料科学部和在Berkeley 的加利福尼亚大学化学系。
所以说，Alivisato 在纳米半导体晶体始创领域中，是一位闪烁光芒的科学家之一。
Chemist Paul Alivisatos is a leader in the development of nano-sized crystals that could serve as building blocks for electronic devices a few billionths of a meter in size.纳米晶体是一种由几百到上万原子结合成晶体，形成物体的聚合。
这种聚合常称为“蔟”（cluster）.典型的直径10纳米晶体比分子大但比块状固体要小，因此兼有物理和化学之间的性质。
纳米晶体产生全表面的虚拟而内部却没有，它的性质随晶体尺寸的成长而有相当的不同。
“通过精确控制纳米晶体尺寸和表面，能改变它们的性质，”Alivistos说，“你能改变频带隙、你能改变如何传导电荷、你能改变它归属什么样晶体结构、你甚至能改变它的熔点温度”。
生长无裂痕纳米晶体是相对容易些，因为它们的长度是如此小以致于在成长加工成所需之缺陷时简单到不需要足够的时间。
然而，对同样小长度的纳米晶体，要设法控制它的体积和表面，那是惊人的挑战。
在过去的十年中，Alivisatos和他的研究小组，曾制造出半导体粉末的纳米晶体，并以满足挑战的手段探索改变生长条件的各种方法。
Alivisatos 第一个大的突破之一，是他和他的合作者Shimon Weiss 探索成功了为发射多种色光，而依赖于镉、硒为核，亚硫酸镉为壳的不同体积的球形纳米晶体，这一突破打开了许多潜在应用的大门，包括把这些球形核—壳纳米晶体作为高效荧光标签、标记用于附着特种蛋白的抗体上，当受到光子激发，就发出荧光或激发出色光，这需在共焦点的显微镜下观察。
The images above show the variety of shapes and sizes that nanocrystals can be made to assume. The rod-shaped nanocrystals to the far left can be stacked for possible use in LEDs, while the tetrapod to the far right should be handy for wiring nano-sizeddevices.“有时侯，为了全面刻划生物样品的特征，需用一群细胞作为样品，这时你需要看到标识的结合。
”Alivisatos说。
这种测试需要复合的色光发射，这是采用常规染料分子难以获得的发射。
Cadmium selenide nanocrystals were used to create this fluorescent microscopic image of living 3T3 fibroblast cells. These and other semiconductor nanocrystals could supplement dye-molecules as fluorescent labels for the study of biological materials.Alivisatos和他的同事采用把半导体粉末注射进热的、象肥皂薄膜似的表面活性剂中的方法，来制造纳米晶体。
在他们最近的工作中，他们曾在TOPO和HPA两种混合表面活性剂中制备晶体，每一种表面活性剂以缓慢而不同的方法和半导体粉末反应。
结果使纳米生产出现真正全新的尺寸。
上一年三月，Alivisatos和他的小组发布了一条他们已经制造出两种尺寸的、形状象棒状的镉硒纳米晶体。
而在这以前，他们一直全部报道象圆点球形似的纳米晶体。
论述制造棒形半导体纳米晶体的能力，不仅为扭转新的潜在应用铺平道路，而且还阐明了控制晶体成长是控制形状和大小的关键。
“就是这第一次，任何人已经真正获得控制半导体纳米晶体成长的手段，”Alivisatos说，“通过控制晶体成长的动力学，我们不仅能选择晶体的大小，而且还可使晶体形状不同。
”Colored-alivisatos-rod虽然精确的机理还不清楚，Alivisatos认为镉和硒原子与两个不同的表面活性剂之间的内部反应引起每一种分子只能朝一个方向生长，结果，保持与表面活性剂成直角的相对快速生长速率诱导晶体选择向拉长方向发展，象棒状形晶体具有晶体最大表面积。
随后的试验表明，棒型纳米晶体沿着它们的长轴方向发射偏振光，相反，早期的镉、硒球形纳米晶体则发射非偏振的荧光。
不同形状的纳米晶体被广泛用于定相标记严格的生物附加标签研究中。
其它的试验表明，反射和吸收能之间的间隙，棒形纳米晶体比球形纳米晶体要大。
不同形状对光反射和吸收的不同特点有效地用于对光再吸收可能出现疑难的发光二极管中。
“我们还证明复合纳米棒能被包装和排列，它的另一优点是既用于LEDs又可在光电电池中使用纳米棒晶体。
”特别是最近，Alivisatos 和他的研究室已经熟练地掌握形成泪滴形、箭头形、和甚至具四杆的四角豆荚形半导体纳米晶体生长的条件和速率。
而这些外来的形状没有立刻使用，它可能用于将来建造纳米晶体块。
例如，当四角纳米晶体滴在表面时，它们总是用笔直的第四角着陆于三角晶体上，这对纳米电路电子设备是非常灵巧的特点。
Clored-alivisatos-tetrapod然而，科学家首先必须学习如何把纳米晶体集成更大、更复杂的结构。
被Alivisatos 和他的研究所所追寻，也即是他们的前任Berkeley 实验室研究员Peter Schultz 和Paul McEuen 首先假设的一种想法是，采用DNA作为样板骑在大自然的脊背上。
“在传感器中，我们现在已经具备制造所有‘积木块’的能力，但是我们缺少化学家来告诉我们所有这些‘积木块’应去向哪里，”Alivisatos 说，“可能是，直接用DNA把纳米晶体集成巨大复杂的随机模板。
”在熟知的DNA“旋转梯形物”中，磷酸脂和核糖分子两个系列被“环”连成具一对氮的“碱基”化合物。
有四种类型的碱基——腺瞟呤（A）、胞蜜啶（C）、鸟瞟呤（G）和胸腺蜜啶（T）。
A总是和T成对，G总是和C连结。
Alivisatos 他的同事采用把“连结”分子附着于单一系列DNA碎片上直到100个碱基长度（约33纳米）这一高度特殊的建筑学程序，目的是要与5-10纳米金晶体交联。
当这些纳米晶体/DNA共轭与包含补充DNA在共轭顺序的基础序列中混合时，这互补基础相互认识并配对成双链DNA。
依据这种方法，DNA作为样板为制造纳米晶体分子服务。
Alivisatos说，“我们正在战略上使用。
把DNA连结于金纳米晶体上是一个统计过程。
根据判断DNA结合到纳米晶体上的速率，我们能控制每一共轭颗粒上DNA链的平均数量。
”按照尺寸大小分离和离析需采用什方法？Alivisatos和他的同事最近采用了“凝胶电泳”技术，这是一种在生物学上分离不同长度DNA碎片的标准工具。
把纳米晶体/DNA共轭放入多孔凝胶槽中，在正负极电场作用下，能分离和离析附着于1~5单链DNA片段上的金纳米晶体。
Alivisatos说：“由于DNA依附常能产生具有良好数量DNA链的纳米晶体/DNA共轭，所以，我们论证了颗粒迁移的转换性（在电场凝胶中）。
DNA is being used as a template for assemblingnanocrystals into macromolecules. Herenanocrystals of gold attached to a single strand ofDNA are brought together into a desiredalignment as the DNA's double-helix is formed.(Illustration by Meg Holm)包含DNA 在内的信息证据能被用于半导体纳米晶体立体结构的制造，而这样一来，便可为建造块状的纳米技术创造条件。
虽然这种集成迄今仍相对简单，但提示的是纳米晶体/DNA 共轭能被用制造各种尺寸和复杂的结构和设备，以便今天用于李氏照相的半导体线路板上。
“我们已经表明，我们能使用有机化学去直接集成无机晶体，”Alivisatos 说，“这是把DNA 从生物学转到材料世界的第一步。
”第二章 超硬、超强、超级使用的纳米管Alex Zettl 做出了你决不会看到的惊人设备—-至少你需要借助于电子显微镜。
Zettl ，一个共同负责Berkely 实验室材料科学部（MSD ）和在Berkeley的加里福尼亚大学的物理系工作的物理学家，曾独创世界最小人造轴承和机械开关、世界最小的室温二极管、本身具有潜在导线作用的“立方体管”（tube cube）电子管设备，从空管大分子做成的设备，其直径仅有几个纳米大小（米的负九次方）。
称这样一种大分子为“纳米管”他们已经承诺为将到来的纳米时代加速许多纳米管的制造。
纳米管不仅要求全范围的电和热传导的性质，（它们传导热要比其它熟知的材料更好），而且它们要比钢高几百倍的强度，比金刚钻更耐用。
它们使用于电上的潜力完全是令人惊奇的，如果把包装在半英吋立方体中的纳米管展开头尾相接，它们将伸展达到约250000里长。
Single-walled carbon nanotubes are so oxygen-sensitive that the absorption of even a few atoms of oxygen (shown in green) can change semiconducting tubes into conductors.“最激动人心的事是我们现在在实验室里制造和研究的许多结构与我们每天的生活密切相关。
从作为结构材料使用到电子材料，到化学传感器的使用”，Zettl说，“在几乎任何技术应用中，你都要想到纳米管对其产生的影响。
”纳米管是原子的两维晶体线片，它被卷曲并在卷曲的接缝处连结形成密闭的圆筒。
1.3纳米微粒的物理特性
隐身：就是把自己隐蔽起来，让别人看不见、测不到。
隐型飞机就是让雷达探测不到，它是在机身表面涂上 红外与微波吸收纳米材料来实现的，因为雷达是通过 发射电磁波再接收由飞机反射回来的电磁波来探测飞 机的。
3、原因
（1）粒子的表面能和表面张力随粒径的减小而 增加
（2）纳米微粒的比表面积大 （3）由于表面原子的最近邻数低于体内而导致
非键电子对的排斥力降低
必然引起颗粒内部特别是表面层晶格的畸变。
例：有人用EXAFS技术研究Cu、Ni原子团发 现，随粒径减小，原子间距减小。Staduik等 人用X射线分析表明，5nm的Ni微粒点阵收缩 约为2.4%。
四、 纳米微粒的光学性质
背景：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。当纳米粒子的粒径与超 导相干波长、玻尔半径以及电子的德布罗意波 长相当时，小颗粒的量子尺寸效应十分显著。 与此同时，大的比表面使处于表面态的原子、 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 米微粒具有同样材质的宏观大块物体不具备的 新的光学特性。主要表现为以下几方面。
2．蓝移现象
与大块材料相比，纳米微粒的吸收带普遍存在 “蓝移”现象，即吸收带移向短波方向。
例：纳米SiC颗粒和大块SiC固体的峰值红外吸 收频率分别是814cm-1和794cm-l。纳米颗粒 的红外吸收频率较大块固体蓝移了20cm-1。纳 米氮化硅颗粒和大块Si3N4固体的峰值红外吸收 频率分别为949cm-l和935cm-l，纳米氮化硅 颗粒的红外吸收频率比大块固体蓝移了14cm-1。
纳米材料的结构和性质
2．2 磁学性能
纳米微粒的小尺寸效应、量子尺寸效应、 表面效应等使得它具有常规粗晶粒材料 所不具备的磁特性．纳米微粒的主要磁 特性可以归纳如下： (1)超顺磁性 纳米微粒尺寸小到一定临界值时进入 超顺磁状态
超顺磁状态的起源可归为以下原因：在小 尺寸下，当各向异性能减小到与热运动能 可相比拟时，磁化方向就不再固定在一个 易磁化方向，易磁化方向作无规律的变化， 结果导致超顺磁性的出现．不同种类的纳 米磁性微粒显现超顺磁的临界尺寸是不相 同的．
对纳米微粒吸收带“蓝移”的解释有几种说法， 归纳起来有两个方面； 一是量子尺寸效应，由于颗粒尺寸下降能隙变 宽，这就导致光吸收带移向短波方向． Ball 等 对这种蓝移现象给出了普适性的解释：已被电 子占据分子轨道能级与未被占据分子轨道能级 之间的宽度 ( 能隙 ) 随颗粒直径减小而增大，这 是产生蓝移的根本原因。这种解释对半导体和 绝缘体都适用．
此外，纳米磁 性微粒还具备 许多其他的磁 特性．纳米金 属Fe(8nm)饱和 磁化强度比常 规α-Fe低40％， 纳米Fe的比饱 和磁化强度随 粒径的减小而 下降(见图)；
Байду номын сангаас
2.3光学性能
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，例如，当纳米粒子的粒径与 超导相干波长、玻尔半径以及电子的德布罗意 波长相当时，小颗粒的量子尺寸效应十分显 著．与此同时，大的比表面使处于表面态的原 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材质的宏观大块物体不具 备的新的光学特性．主要表现为如下几方面：
例如，常规Al2O3烧结温度在2073-2173K， 在一定条件下，纳米的 Al2O3 可在 1423K 至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673K至773K，纳米TiO2在 773K 加热呈现出明显的致密化，而晶粒 仅有微小的增加，致使纳米微粒 TiO2 在 比大晶粒样品低 873K 的温度下烧结就能 达到类似的硬度．
3. 纳米结构及物理特性
（2）蓝移和红移现象 (Red shift and blue shift)
由不同粒径的CdS纳米微粒 的吸收光谱看出，随着微粒 尺寸的变小而有明显的蓝移， 见右图。 体相CdS的禁带宽度较窄， 其吸收带在近红外区。但是 CdS体相中的激子(exciton)玻 尔半径较大（大于10nm）， 更容易达到量子限域．当其 尺寸小于3nm时，吸收光谱 移至可见光区。
(1)超顺磁性 纳米微粒尺寸小到一 定临界值时进人超顺 磁状态，例如－Fe， Fe3O4 和－Fe2O3 粒 径 分 别 为 5nm ， 16nm和20nm时变成 顺磁体。
这时磁化率不再服 从居里一外斯定律
C T Tc
(3-1)
式中C为常数，Tc 为 居里(Curie)温度。
纳米微粒的力学性能
纳米金属的强度
纳米Pd、Cu等块体试样的硬度试验表明，纳 米材料的硬度一般为同成分的粗晶材料硬度 的2～7倍。由纳米Pd、Cu、Au等的拉伸试 验表明，其屈服强度和断裂强度均高于同成 分的粗晶金属。
纳米微粒的力学性能
纳米金属的塑性 在拉伸和压缩两种不同的 应力状态下，纳米金属的 塑性和韧性显示出不同的 特点。 在拉应力作用下，与同成 分的粗晶金属相比，纳米 金属的塑、韧性大幅下降， 即使是粗晶时显示良好塑 性的fcc金属，在纳米晶条 件下拉伸时塑性也很低， 常呈现脆性断口
居里温度
(Curie tem.)
居里温度Tc是物质磁性的 重要参数，通常与交换积 分Je成正比，并与原子的 构型和间距有关。 按照公式估算， V（K1+MsH）=25kBT 其中中V为粒子体积，K1 为室温有效磁各向异性常 数（5.8105erg/(c.c)。
纳米科技导论-1自然界中的纳米结构
超疏水表面的应用
• 超疏水表面在工农业生产和人们的 日常生活中都有着极其广阔的应用前 景。荷叶的“自清洁”功能启发了人 们将超疏水表面应用到日常的自清洁 技术中。例如：它可以用来防雪、防 污染、抗氧化以及防止电流传导等。 如果建筑物的外墙、露天的广告牌等 表面像荷叶一样，就可以保持清洁。
超疏水表面在减阻中的应用
• 为什么这样的“粗糙”表面能产生超疏水性 呢？ 对于一个疏水性的固体表面来说，当表 面有微小突起的时候，有一些空气会被“关 到”水与固体表面之间，导致水珠大部分与 空气接触，与固体直接接触面积反而大大减 小。由于水的表面张力作用使水滴在这种粗 糙表面的形状接近于球形，其接触角可达150 度以上，并且水珠可以很自由地在表面滚动。 即使表面上有了一些脏的东西，也会被滚动 的水珠带走，这样表面就具有了“自清洁” 的能力。这种接触角大于150度的表面就被称 为“超疏水表面”，而一般疏水表面的接触 角仅大于90度。
•
宋代周敦颐(yi)在《爱莲说》 中写道“予独爱莲之出淤泥而不 染”。一千年后的今天，人们已经 可以从科学的角度解释莲这种“出 淤泥而不染”的特性。与之相关的 “仿生超疏水性表面”的研究已成 为化学模拟生物体系研究中的一个 新领域。
•
浸润性是固体表面的重要特征之一,它由 表面的化学组成和微观形貌共同决定。超 亲水和超疏水特性是表面浸润性研究的主 要内容。所谓超疏水（憎水）表面一般是 指与水的接触角大于150度的表面。人们对 超疏水表面的认识，主要来自植物叶—— 荷叶表面的“自清洁”现象。比如，水珠 可以在荷叶的表面滚来滚去，即使在上面 浇一些污水，也不会在叶子上留下污痕。 荷叶这种出污泥而不染的特性被称作“自 清洁”效应。
10μm
Nature 2004, 432, 36
金纳米晶体
金属纳米颗粒是尺寸在1-100纳米的金属原子聚集体，比光的波长还小。
因其尺寸小，会产生量子限域效应，增加或减少金属原子数目会造成其结构、电子和光学性质的显著改变。
因此，与宏观金属材料不同，金属纳米颗粒的尺寸、形貌以及元素分布决定其力学行为、表面吸附、运输、催化活性和光电性质。
比如金纳米颗粒常用于标记生物分子，一方面，形状影响金纳米颗粒的生物分布（图1）；另一方面，不同大小形状的金纳米粒子会显现出不同的颜色（图2）。
如果想要得到红色的金纳米颗粒，就需要在合成过程中严格控制颗粒的长宽比，否则就很有可能会得到蓝色的颗粒，同时还需要注意不要生成空心的颗粒。
又譬如近年来，传统被认为化学“惰”性的金在纳米尺度表现出特殊的催化性能，其尺寸和形貌是决定催化性能的关键因素。
椭圆形纳米晶磁芯
椭圆形纳米晶磁芯是一种特殊的磁性材料，具有椭圆形的形状，并且由纳米晶粒组成。
纳米晶是一种晶体尺寸在纳米级别（通常为1到100纳米）的材料，其具有特殊的磁性和结构特征。
相比传统的磁性材料，纳米晶材料具有更高的饱和磁感应强度、更低的矫顽力和更低的磁滞回线损耗。
椭圆形的磁芯设计可以使磁场在不同方向上更均匀地分布，从而提供更好的磁场控制和调节能力。
这对于许多应用来说非常重要，例如电源变换器、磁存储设备和传感器等。
椭圆形纳米晶磁芯的制备通常是通过沉积薄膜技术，将纳米晶材料沉积在基底上，并使用适当的工艺进行形状制造和加工。
制备过程中还可能需要进行退火或磁化处理等步骤，以优化其磁性能。
椭圆形纳米晶磁芯在现代电子技术领域具有广泛的应用。
它们可以用于高频变压器、滤波器、电感器和传感器等设备中，通过调节和控制磁场来实现信号传输、能量转换和数据存储等功能。
同时，由于纳米晶材料的特殊性质，椭圆形纳米晶磁芯还能提供更高效的能量转换和更低的能耗表现。
总之，椭圆形纳米晶磁芯作为一种特殊的磁性材料，在电子技术领域具有重要的应用价值，可以用于各种设备中以实现高效的能量转换、信号传输和数据存储等功能。
纳米二氧化硅固体形状
纳米二氧化硅固体形状
纳米二氧化硅固体是一种具有特殊形状的材料，其微观结构呈现出多样化的形态。
这些形态可以分为球形、棒状、片状和多孔状等不同类型。
球形纳米二氧化硅是最常见的一种形态。
它们的直径通常在几纳米到几百纳米之间，呈现出圆润的外观。
这些球形颗粒由无数个纳米颗粒组成，具有高度均匀的粒径分布。
由于其球形结构，这些颗粒在某些应用中具有良好的流动性和分散性。
另一种常见的形态是棒状纳米二氧化硅。
这些棒状颗粒具有高度延展的形态，其长度可以达到几百纳米，而直径则在几十纳米左右。
棒状纳米二氧化硅由于其长宽比例的不同，可以表现出不同的性质。
例如，当长宽比例较大时，棒状颗粒具有较高的比表面积，可以用于催化剂和吸附剂等领域。
片状纳米二氧化硅是一种具有扁平形态的材料。
它们的厚度通常在几纳米到几十纳米之间，而长度和宽度则可以达到几百纳米。
片状纳米二氧化硅具有较大的表面积和较好的机械性能，因此在电子器件和光学材料等领域得到了广泛的应用。
多孔状纳米二氧化硅也是一种常见的形态。
这些多孔颗粒具有大量的孔洞结构，使其具有较大的比表面积和吸附能力。
多孔状纳米二氧化硅可以用于催化剂载体、药物传输和环境污染治理等领域。
纳米二氧化硅固体形状丰富多样，不同形态的纳米二氧化硅在不同领域具有不同的应用价值。
通过对纳米二氧化硅固体形状的研究，我们可以进一步深入了解其结构与性能之间的关系，并为其在材料科学和应用技术中的应用提供理论依据。
石墨烯纳米片形貌的描述
石墨烯纳米片形貌的描述石墨烯，作为一种最薄的材料，被广泛认为是材料科学领域的革命性发现。
它由单层碳原子构成，呈现出六边形的晶格结构，形成了一个二维的平面。
石墨烯的纳米片形貌独特而美丽，让人不禁为之惊叹。
在石墨烯纳米片的表面，每个碳原子都以sp2杂化形式存在，形成了一种紧密排列的结构。
这种结构使得石墨烯具有极高的强度和导电性。
纳米片之间的碳原子通过共价键相互连接，形成了一个稳定而坚固的网络。
这种连接方式使得石墨烯具有出色的机械性能，能够承受巨大的拉伸和压缩力。
石墨烯纳米片的形貌如同一张薄膜覆盖在物质表面上，呈现出透明而闪亮的特点。
它的薄度只有几个原子的厚度，几乎可以被视为二维材料。
这种特殊的形貌使得石墨烯在电子学、光电子学等领域具有巨大的应用潜力。
除了其特殊的形貌外，石墨烯纳米片还具有许多独特的性质。
例如，它具有高度的热导率和光学透明性，能够在高温环境下快速传导热量，并且不会对光线产生明显的散射。
这使得石墨烯在热管理和光学器件方面具有广泛的应用前景。
石墨烯纳米片的制备方法多种多样。
目前最常用的方法是化学气相沉积法和机械剥离法。
化学气相沉积法通过在金属衬底上沉积碳原子，再通过化学处理去除衬底，得到石墨烯纳米片。
机械剥离法则通过用胶带等材料从石墨表面剥离碳原子，逐层剥离形成石墨烯纳米片。
尽管石墨烯纳米片在科学研究和技术应用中具有巨大潜力，但其制备和应用仍然面临许多挑战。
例如，制备工艺需要更高的效率和更低的成本，以满足大规模制备的需求。
此外，石墨烯纳米片的稳定性和可控性也需要进一步提高，以满足不同应用领域的要求。
石墨烯纳米片以其独特的形貌和卓越的性能，引起了科学家们的广泛关注。
它在电子学、光电子学、热管理等领域具有巨大的应用潜力。
随着制备技术的进一步发展和改进，相信石墨烯纳米片将在未来的科技革命中扮演重要角色。
纳米材料的形貌与性质
纳米磁性材料的磁记录密度可比普通
的磁性材料提高10倍。
（4） 特殊的力学性质 因为纳米材料具有大的界面，界面的原子 排列是相当混乱的，原子在外力变形的条 件下很容易迁移，因此表现出甚佳的韧性 与一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的 力学性质。
应用
纳米陶瓷粉制成的
陶瓷有一定的塑性， 高硬度和耐高温。Байду номын сангаас纳米陶瓷刚柔并济！
四，宏观量子隧道效应
微观粒子具有穿越势垒的能力称为隧道效 应。近年来，人们发现一些宏观量，例如 微粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通 量等亦具有隧道效应，它们可以穿越宏观 系统的势垒而产生变化，故称为宏观量子 隧道效应。
电子既具有粒子性又具有波动性，因此存 在隧道效应。
应用
• 量子尺寸效应、宏观量子隧道效应将会是未来微 电子、光电子器件的基础，或者说它确立了现存 微电子器件进一步微型化的极限，当微电子器件 进一步微型化时必须要考虑上述的量子效应。 • 例如，在制造半导体集成电路时，当电路的尺寸 接近电子波长时，电子就通过隧道效应而溢出器 件，使器件无法正常工作，经典电路的极限尺寸 大概在0.25微米。目前研制的量子共振隧穿晶体 管就是利用量子效应制成的新一代器件。
（3） 特殊的磁学性质 小尺寸的超微颗粒磁性与大块材料显著的 不同，大块的纯铁矫顽力约为 80安／米， 而当颗粒尺寸减小到 2×10-2微米以下时， 其矫顽力可增加1千倍，若进一步减小其尺 寸，大约小于 6×10-3微米时，其矫顽力反 而降低到零，呈现出超顺磁性。
应用
利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性， 已作成高贮存密度的磁记录磁粉，大量应 用于磁带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙等。
应用
美国贝尔实验室发现当半导体硒化镉颗粒 随尺寸的减小能带间隙加宽，发光颜色由 红色向蓝色转移。美国伯克利实验室控制 硒化镉纳米颗粒尺寸，所制备的发光二极 管可在红、绿和蓝光之间变化。
纳米材料的结构与形貌控制
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1. 成核过程
成核过程是液相纳米晶体生长的起始过程。 晶体生长过程主要分为成核控制和扩散控制。 对于很小的晶体，可能不存在位错或其它缺陷，生长是 由分子或离子一层一层地沉积进行的。 因此，对于成核控制的晶体生长，成核速率可看作是晶 体生长速率。 当晶体的某一层长到足够大时，溶液中的离子在完整表 面上不能找到有效吸附点而使晶体的生长停止，这时，单 个表面晶核和溶液之间形成不稳定状态。
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晶体生长示意图
Csat=饱和浓度，Cequi=平衡浓度
当单体浓度达到过饱和浓度，晶种形成，单体不断聚集到晶 种上，单体浓度不断下降。在成核和生长阶段，生长参数和 21 晶相的控制决定着晶体最终的大小和形状。
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纳米晶合成的动力学过程分析 要实现对于纳米材料的结构、尺寸、形貌、 维度、均一性的控制，必须首先对于颗粒的形 成过程有清晰的了解。 下面结合液相胶体成核生长理论、晶体生长 理论和纳米晶合成的成功例子来分析纳米晶合 成中的动力学。
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Co 纳米晶的合成是这方面比较成功的例子。将有机 金属化合物Co2(CO)8注入表面活性剂溶液中使其在高 温惰性气体保护下，快速崩解。所得产品由于成核与 生长成功分离，每个晶粒生长过程类似，因此产品具 有非常窄的尺寸分布。这种单分散性给这些纳米粒子 带来了自组装特性。
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>300度
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从胶体科学的角度来看，任何纳米颗粒的生长都会经过 成核、生长两个过程，其中成核所需的过饱和度较生长所需 更高。 从液相化学反应形成胶体颗粒的过程来看，一般起始物 首先形成澄清透明的溶液。改变条件推动化学反应进行，使 难溶的生成物出现，过饱和度上升，出现固相形成的推动力。 反应达到一定程度，过饱和度突破成核所需临界值，难溶物 结晶析出，成核阶段完成。之后溶液保持较低过饱和度，是 纳米晶生长的过程。如果这一生长阶段中，某一区域局部的 过饱和度再次突破成核所需临界值，会再次成核。两次或多 次成核造成胶体颗粒生长时间不一致，会导致产品粒度差异 变大。 24