纳米材料的结构和性质
材料科学中的纳米结构与性能
材料科学中的纳米结构与性能材料科学是一门研究各种材料物质运用、改变、塑造等方面的科学，涵盖了广泛的领域，而其中的纳米结构是近年来备受关注的焦点。
纳米结构是指在纳米尺度（1~100纳米）的范围内，材料的结构和性质发生了显著的变化，比如硬度、强度、导电性等。
这些性质的改变，带来了新的材料特性和应用前景。
在本文中，将会重点探讨纳米结构在材料科学中的应用和性能。
一、纳米结构对材料性能的影响纳米结构的出现，使得材料的物理、化学性质发生了明显的变化。
特别是在纳米尺度下，一些传统材料变得更加坚硬、强韧，而另一些则会出现松散、易碎等性质。
这些性质的变化，直接影响了材料的应用范围和使用效果。
1.硬度与强度研究表明，随着晶粒尺寸的减小，材料的硬度和强度会相应地提高。
这是因为晶粒越小，材料中的位错数量就会增加，导致材料的强度和硬度增加。
纳米晶材料的强度甚至可以与金刚石相媲美，因此在制造坚硬耐磨新型材料上有广泛的应用前景。
2.导电性对于电子学和光电学等领域来说，导电性是一项非常重要的性质。
研究表明，纳米结构的材料可以显著提高导电性，如纳米碳管、纳米颗粒等，均表现出了良好的导电性能。
这种性质的改善，使得纳米结构材料在制造高速电子器件、光电器件、甚至是高价值电子元件等领域都有非常广泛的应用。
3.热稳定性材料在使用过程中，不可避免地会受到一定的温度影响，其中的热稳定性是衡量材料抗高温性的重要指标。
研究发现，纳米结构材料中，晶粒的缺陷和杂质的扩散速率均发生了明显的降低，因此具有更好的热稳定性。
这种性质的改进，可以使材料在高温环境下更加稳定，从而使得材料可以扩展到更多的应用场景中。
二、纳米结构的制备技术纳米结构的制备技术对于纳米材料的性质和应用同样重要。
传统材料制备的方法不适用于纳米材料制备，因此需要专门的制备技术。
1.溶胶凝胶法溶胶凝胶法是指将一个溶解物内的分子或离子在适当的条件下形成胶体凝胶，再通过热处理或化学处理等方法，制备成具有特定纳米结构的材料。
纳米材料的结构与性能
纳米材料的结构与性能纳米材料是指在一维、二维或三维尺度中至少有一个尺寸小于100纳米的材料。
由于其尺寸特殊性，纳米材料具有诸多独特的性能和结构特征。
本文将深入探讨纳米材料的结构与性能，以期对其研究和应用起到一定的帮助。
首先，我们来谈谈纳米材料的结构。
纳米材料的结构形态可以分为多种类型，常见的包括纳米粉末、纳米膜/薄膜、纳米线和纳米颗粒等。
纳米粉末是指粒径小于100纳米的粉末状物质，通常由凝聚或化学方法得到。
纳米膜/薄膜是指在基底上具有纳米级厚度的薄膜，其结构形态可以是连续的，也可以是颗粒状的。
纳米线是一种形态独特的纳米材料，其直径在几十纳米到几百纳米之间，长度可以达到数十微米。
而纳米颗粒则是颗粒状的纳米材料，其尺寸一般在几十纳米至几百纳米之间。
其次，纳米材料的性能是由其特殊的结构决定的。
纳米材料的性能与其尺寸、形态、晶格结构及表面特性等密切相关。
首先，纳米材料具有较大的比表面积。
由于其尺寸小，纳米材料的单位质量表面积要远大于宏观材料，这使得纳米材料具有更多的活性表面，增强了其化学活性、催化性能和吸附能力等。
其次，纳米材料的能带结构与普通材料不同。
由于尺寸效应和限域效应的影响，纳米材料的能带结构发生量子尺寸效应和能带削弱现象，导致纳米材料具有独特的光电特性和电子输运性质。
此外，纳米材料的力学性能也受到了尺寸效应的显著影响，例如纳米线的强度和韧性都明显高于宏观材料。
除了以上结构与性能的关系，我们还需要关注纳米材料的制备方法和应用领域。
目前纳米材料的制备方法包括物理法、化学法、生物法和机械法等。
物理法包括溅射、凝聚等方法，可以制备出高纯度的纳米材料。
化学法则包括溶液法、气相沉积法等，能够制备出各种形貌和复杂结构的纳米材料。
生物法则是利用生物合成途径，通过微生物、植物或动物等生物体合成纳米材料。
机械法则是利用机械力进行纳米结构的制备，例如球磨、研磨等。
而纳米材料的应用领域十分广泛，包括催化、电子学、光电子学、生物医学、环境保护等。
纳米材料结构与性能
纳米材料的结构及其性能20世纪90年代，以前人们从未探索过的纳米物质（Nanostructured materials）一跃成为科学家十分关注的研究对象。
新奇的纳米材料刚刚诞生才几年，以其所具有的独特性和新的规律，如材料尺度上的超细微化而产生的表面效应、体积效应、量子尺寸效应、量子隧道效应等及由这些效应所引起的诸多奇特性能，已引起世界各国科技界及各国政要的高度重视，使这一领域成为跨世界材料科学研究领域的"热点"。
1、纳米和纳米材料纳米是一种长度的量度单位，1纳米（nm）等于10-9米，1nm的长度大约为4到5个原子排列起来的长度，或者说1nm相当于头发丝直径的10万分之一。
纳米结构（nanostructure）通常是指尺寸在100nm以下的微小结构。
纳米材料（nanostructure materials或nanomaterials）是纳米级结构材料的简称。
狭指由纳米颗粒构成的固体材料，其中纳米颗粒的尺寸最多不超过100纳米，在通常情况下不超过10纳米；从广义上说，纳米材料，是指微观结构至少在一维方向上受纳米尺度（1～100nm）限制的各种固体超细材料，它包括零维的原子团簇（几十个原子的聚集体）和纳米微粒；一维纳米纤维；二维纳米微粒膜（涂层）及三维纳米材料。
2、纳米材料的结构材料学研究认为：材料的结构决定材料的性能，同时材料的性能反映材料的结构。
纳米材料也同样如此。
对于纳米材料，其特性既不同于原子，又不同于结晶体，可以说它是一种不同于本体材料的新材料，其物理化学性质与块体材料有明显的差异。
纳米材料的结构特点是：纳米尺度结构单元，大量的界面或自由表面，以及结构单元与大量界面单元之间存在的交互作用。
在结构上，大多数纳米粒子呈现为理想单晶，也有呈现非晶态或亚稳态的纳米粒子。
纳米材料的结构上存在两种结构单元；即晶体单元和界面单元。
晶体单元由所有晶粒中的原子组成，这些原子严格地位于晶格位置；界面单元由处于各晶粒之间的界面原子组成，这些原子由超微晶粒的表面原子转化而来。
无机纳米材料的结构和性质及其应用
无机纳米材料的结构和性质及其应用无机纳米材料是指粒径在1~100纳米之间的无机物质，具有与宏观材料不同的结构和性质。
它们的小尺寸和高特异表面积使它们具有良好的化学、物理、光学、热学、电学和磁学性质。
这些性质使得无机纳米材料在催化、电池、传感、生物医学、纳米电子学、纳米机械学等领域有着广泛的应用。
本文将介绍无机纳米材料的结构和性质，以及它们的应用前景。
一、无机纳米材料的结构无机纳米材料的结构可以分为两大类：一是晶格结构，即晶体结构的缩小版；二是非晶态结构，即没有规则有序排列的结构。
其中，晶体结构的纳米材料包括单晶纳米粒子和多晶纳米颗粒，它们是由原子或分子按照一定的空间排列方式组织起来的。
而非晶态结构的纳米材料具有类似于液体或气体状态的无序排列，如玻璃、纤维等。
晶格结构的无机纳米材料主要有四种类型：1）球形纳米粒子，2）棒状纳米颗粒，3）二维或三维纳米结构，常见的有纳米线、纳米管和多孔纳米结构，4）纳米晶体。
这些结构通过物理或化学方法可以制备出来，例如化学合成法、物理气相沉积法、熔融法、溶胶凝胶法等等。
非晶态结构的无机纳米材料主要有以下几种形态：1）无定形纳米材料（如非晶态SiO2）；2）非晶态金属玻璃；3）纳米多晶体结构（如纳米金和镍等）；4）非晶态或化学弱有序状态的铁磁材料。
这些结构通常采用熔融法、溶胶凝胶法和物理气相沉积法等制备。
二、无机纳米材料的性质无机纳米材料由于其小尺寸和高表面积/体积比，具有许多特殊的性质，其性质与普通材料有很大差异，主要有以下几点：1）量子效应。
纳米材料的电子与原子核之间的距离与纳米尺寸和粒径有关。
粒径小到一定程度，纳米材料的这些特性与量子力学联系紧密，表现出典型的量子效应，如发光效应、电子隧穿效应等。
2）表面效应。
由于其高表面积/体积比，纳米材料表面原子向外露出，而且表面结构与内部结构不同，导致表面具有很高的能量和活性。
这些表面效应使得纳米材料具有较强的催化、吸附和反应活性。
纳米材料结构与性能分析
纳米材料结构与性能分析纳米材料近年来受到越来越多人的关注。
这种材料具有独特的物理、化学和生物学特性，与宏观材料不同，其性能是由其微观结构决定的。
因此，了解纳米材料结构与性能的关系对于制造高性能、高效材料至关重要。
一、纳米材料结构纳米材料的尺寸在1-100纳米之间，相比于宏观材料，它们的尺寸更小，表面积更大，晶体结构更复杂。
纳米粒子的尺寸可以通过多种方式控制，例如化学合成、溶胶-凝胶法、物理气相沉积等方法。
各种方法的优缺点各不相同，需要根据不同的应用选择不同的合成途径。
纳米粒子可以具有不同的形态，包括球形、棒状、片状、管状等。
此外，纳米结构的表面也可能有氧化物、硫化物、硝酸盐等物质的覆盖层。
这些表面修饰层不仅能够改变纳米结构的物理、化学特性，还可以保护纳米结构免于环境侵蚀。
二、纳米材料性能纳米材料的性质因其尺寸和结构的变化而发生变化。
其中最重要、最能够被发掘利用的特性包括：1.电学性质由于纳米材料的小尺寸，电子在其中的空间受到限制，也就是说，纳米材料具有不同于宏观材料的电学性质。
一方面，由于电子的量子限制效应，纳米粒子的光电转换效率更高，也更易于催化反应；另一方面，靠近表面的电子数更多，表面能态也相应增加，因此纳米材料的导电性能更好。
2.光学性质纳米材料的尺寸与所吸收光线的波长相比较接近，因此它们可以吸收、放射、透射与散射光线的方式与宏观材料有所不同。
这种现象可以用于纳米药物载体的低毒性荧光探针、分子成像诊断等领域。
3.力学性质纳米材料在大量使用之前必须经过控制的制备和精细的表征，以确保其力学性质在合适的范围内。
一般来说，尺寸越小、结构越复杂的纳米材料其力学特性越值得关注。
例如，碳纳米管是一种类似了结构和功能的材料，而其力学特性可以用于伸缩力程较大的电子开关制备等领域。
4.化学反应性纳米材料的化学反应性质可能会因其表面的物理和化学特性而发生变化。
例如，纳米结构具有高比表面积，表面活性更高，所以其分子吸附性、表面催化能力也更高，可以用于制备催化剂、催化反应器等。
纳米材料的结构与性质的研究
纳米材料的结构与性质的研究纳米材料是具有特殊性质的新型材料，其广泛应用领域涉及电子、光电、材料科学等多个方面。
纳米材料的研究已经成为当前材料科学领域的热点之一。
纳米材料的结构与性质的研究是纳米材料研究的重要内容，下面我们就来了解一下关于纳米材料结构与性质的研究。
一、纳米材料的结构纳米材料的结构主要分为两种，一种是晶体结构，另一种是非晶态结构。
纳米晶体结构一般为多晶体或单晶体，其特点是具有非常高的比表面积和非常小的晶粒尺寸。
而非晶态结构则没有明显的晶体结构，这种结构的纳米材料常见于非晶材料、生物材料、玻璃材料等。
纳米材料的结构对其性质和应用表现有着至关重要的影响。
因此，对纳米材料的结构进行深入研究，对于优化其性能和提高其应用效果至关重要。
二、纳米材料的性质纳米材料与常规晶体材料之间的最主要区别在于其所特有的尺寸效应。
因为纳米尺寸与常规尺寸相比，纳米材料往往需要适应不同的物理和化学环境。
1. 机械性能纳米材料的机械性能是其最为重要的性质之一。
由于纳米材料具有非常高的比表面积、非常小的尺寸和表面缺陷等特点，纳米材料的强度、韧性、延展性等力学性质往往与常规晶体材料有所不同。
特别的，纳米氧化铝材料因其具有超高的比表面积，往往表现出很高的硬度和脆性。
纳米钛材料则表现出更大的韧性。
这些性质的不同还取决于所研究的具体粒子尺寸和形态。
2. 电性能纳米材料的电性能是另一个重要的特征。
由于其尺寸效应的影响，纳米材料的导电性、热电性等往往与常规晶体材料有着明显的差异。
在纳米材料中，电子的能级分布和能带结构以及电子的动力学行为都被尺寸效应所影响。
该效应通常会导致纳米材料呈现出不同的导电和热电性，例如，纳米银的导电性往往高于常规尺寸的银。
3. 光学性能纳米材料的光学性质也是纳米材料在应用中具有的明显优势之一。
许多纳米材料都表现出比常规材料更优越的光学性质，如，纳米晶体的荧光性质、纳米金的表面等离子体共振等等。
另外，这些材料往往还能被用作光学传感器、生物探针和照明等。
纳米材料的特性
块体半导体与半导体 纳米晶的能带示意图
2) 表面效应：纳米颗粒大 的表面张力使晶格畸变， 晶格常数变小。对纳米氧 化物和氮化物的研究表明， 第一近邻和第二近邻的距 离变短，键长的缩短导致 纳米颗粒的键本征振动频 率增大，结果使红外吸收 带移向高波数。
CdSe纳米颗粒的吸收光谱蓝移现象 A.P.Alivisatos, J. Phys. Chem. 100, 13227 (1996)
h
纳米氮化硅、碳化硅以及三氧化二铝粉等对红外有一个 宽频带强吸收谱。
不同温度退火下纳米三氧化二铝材料的红外吸收谱 1－4分别对应873，1073，1273和1473K退火4小时的样品
纳米材料的红外吸收谱宽化的主要原因
1) 尺寸分布效应：通常纳米材料的粒径有一定分布，不同颗粒的表面张 力有差异，引起晶格畸变程度也不同。这就导致纳米材料键长有一个分 布，造成带隙的分布，这是引起红外吸收宽化的原因之一。 2) 界面效应：界面原子的比例非常高，导致不饱和键、悬挂键以及缺陷 非常多。界面原子除与体原子能级不同外，互相之间也可能不同，从而 导致能级分布的展宽。与常规大块材料不同，没有一个单一的、择优的 键振动模，而存在一个较宽的键振动模的分布，在红外光作用下对红外 光吸收的频率也就存在一个较宽的分布。
5nm
>10nm
激子带的吸收系数随粒径的减小而增 加，即出现激子的增强吸收并蓝移。
CdSexS1-x玻璃的吸收光谱
曲线1所代表的粒径大于10nm 曲线2所代表的粒径为5nm
5、纳米微粒发光现象
当纳米微粒的尺寸小到一定值时可在 一定波长的光激发下发光。所谓光致发光 (photoluminescence)是指在一定波长光照射 下被激发到高能级激发态的电子重新跃回到 低能级被空穴俘获而发射出光子大块材料相比，纳米微粒的吸收带普遍存在“蓝移” 现象，即吸收带移向短波长方向。 例如，纳米 SiC 颗粒和大块 SiC 固体的红外吸收频率峰值 分别为814cm-1和794cm-1。纳米SiC颗粒的红外吸收频率较大 块固体蓝移了20cm-1。
纳米材料是什么
纳米材料是什么
纳米材料是一种具有纳米尺度特征的材料，其在纳米尺度下具有特殊的物理、化学和生物学性质。
纳米材料的尺寸通常在1到100纳米之间，这使得它们具有与常规材料不同的特性和应用潜力。
纳米材料可以是纳米颗粒、纳米线、纳米片、纳米管等形态，其结构和性质对于材料科学、纳米技术和生物医学等领域具有重要意义。
首先，纳米材料具有独特的物理性质。
由于其尺寸接近原子和分子尺度，纳米材料表现出与宏观材料不同的量子效应，如量子大小效应、表面效应等。
这些特殊的物理性质赋予纳米材料优异的光学、电子、磁性和热学性能，使其在纳米电子器件、纳米传感器、纳米光学器件等领域展现出巨大的应用潜力。
其次，纳米材料具有独特的化学性质。
纳米材料的表面积相对于体积非常大，这使得其在化学反应和催化过程中具有更高的活性和选择性。
纳米材料在催化剂、吸附剂、储能材料等方面的应用备受关注，其高效的化学反应活性和表面催化性能为解决环境污染和能源危机等问题提供了新的途径。
此外，纳米材料还具有独特的生物学性质。
纳米材料在生物医学领域的应用日益广泛，如纳米药物载体、纳米诊断试剂、纳米生物传感器等。
纳米材料的小尺寸使其能够穿透细胞膜，实现对细胞和组织的精准治疗和诊断，为医学诊疗带来革命性的变革。
总之，纳米材料是一种具有独特物理、化学和生物学性质的材料，其在各个领域都展现出巨大的应用潜力。
随着纳米技术的不断发展和进步，相信纳米材料将会在材料科学、纳米技术、生物医学等领域发挥越来越重要的作用，为人类社会的发展和进步做出更大的贡献。
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除了球形外，纳米微 粒还具有各种其他形 状，这些形状的出现 与制备方法密切相 关．例如，由气相蒸 发法合成的铬微粒， 当铬粒子尺寸小于 20nm时，为球形并形 成链条状连结在一 起．对于尺寸较大的 粒子，α-Cr粒子的 二维形态为正方形或 矩形。
镁的纳米微粒呈六角条状或六角等轴 形． Kimoto和Nishida观察到银的纳米 微粒具有五边形10面体形状。
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例如，大块Pb的熔点为 600K，而20nm球形Pb微 粒熔点降低288K；纳米 Ag微粒在低于373K开始 熔化，常规Ag的熔点为 1173K左右．Wronski计 算出Ag微粒的粒径与熔 点的关系，结果如图所 示．由图中可看出，当 粒径小于10nm时，熔点 急剧下降．
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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 粉末互相结合成块，纳米微粒尺寸小， 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，有利于界面中的孔洞收缩， 因此，在较低的温度下烧结就能达到致 密化的目的，即烧结温度降低．
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许多纳米微粒，例如，ZnO，Fe2O3和TiO2 等，对紫外光有强吸收作用，而亚微米 级 的 TiO2 对 紫 外 光 几 乎 不 吸 收 ． 这 些 纳 米氧化物对紫外光的吸收主要来源于它 们的半导体性质，即在紫外光照射下， 电子被激发由价带向导带跃迁引起的紫 外光吸收．
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(2)蓝移和红移现象
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例如，常规Al2O3烧结温度在2073-2173K， 在17一73定K烧条结件，下致，纳密米度的可A达l29O39可.7在％1．42常3K至规 Si3N4烧结温度高于2273K，纳米氮化硅烧 结 温 度 降 低 6 7 3 K 至 7 7 3 K， 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．
与大块材料相比，纳米微粒的吸收带普遍存在 “蓝移”现象，即吸收带移向短波长方向。 例如，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794 cm-1．纳米SiC颗粒的 红外吸收频率较大块固体蓝移了20 cm-1．纳米氮 化硅颗粒和大块Si3N4固体的峰值红外吸收频率分 别是949 cm-1和935 cm-1，纳米氮化硅颗粒的红外 吸收频率比大块固体蓝移了14 cm-1．
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2.纳米微粒的物理特性
纳米微粒具有大的比表面积，表 面原子数、表面能和表面张力随粒径的 下降急剧增加，小尺寸效应，表面效应、 量子尺寸效应及宏观量子隧道效应等导 致纳米微粒的热、磁、光、敏感特性和 表面稳定性等不同于常规粒子，这就使 得它具有广阔应用前景．
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2.1热学性能
纳米微粒的熔点、开始烧结温度和晶化 温度均比常规粉体的低得多．由于颗粒 小，纳米微粒的表面能高、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的纳米粒 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．
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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
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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．
第四章 纳米微粒的结构与物理特性
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1.纳米微粒的结构与形貌
纳米微粒一般为球 形或类球形(如图3 所示)。图中(a，b， c) 分 别 为 纳 米 γAl2O3，TiO2 和 Ni 的 形貌像，可以看出， 这几种纳米微粒均 呈类球形．
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最近，有人用高倍超高真空的电子显 微镜观察纳米球形粒子，结果在粒子 的表面上观察到原子台阶，微粒内部 的原子排列比较整齐。
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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)；
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：
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纳米氮化硅、SiC及Al2O3粉对红外有一个 宽频带强吸收谱．这是由纳米粒子大的 比表面导致了平均配位数下降，不饱和 键和悬键增多，与常规大块材料不同， 没有一个单一的，择优的键振动模，而 存在一个较宽的键振动模的分布，在红 外光场作用下它们对红外吸收的频率也 就存在一个较宽的分布，这就导致了纳 米粒子红外吸收带的宽化。
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(1) 宽频带强吸收 大块金属具有不同颜色的光泽．这表明它们对
可见光范围各种颜色(波长)的反射和吸收能力 不同；而当尺寸减小到纳米级时各种金属纳米 微粒几乎都呈黑色．它们对可见光的反射率极 低，例如铂金纳米粒子的反射率为1％，金纳米 粒子的反射率小于10％．这种对可见光低反射 率．强吸收率导致粒子变黑．
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(2)矫顽力
纳米微粒尺寸高于超顺磁临界尺寸时通常 呈现高的矫顽力Hc．例如，用惰性气体蒸 发冷凝的方法制备的纳米Fe微粒，随着颗 粒变小饱和磁化强度Ms有所下降，但矫顽 力却显著地增加．
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(3)居里温度
居里温度Tc为物质磁性的重要参数．对于薄膜， 理论与实验研究表明，随着铁磁薄膜厚度的减 小，居里温度下降．对于纳米微粒，由于小尺 寸效应和表面效应而具有较低的居里温度． 许多实验证明，纳米微粒内原子间距随粒径下 降而减小．Apai等人用EXAFS方法直接证明了 Ni，Cu的原子间距随着颗粒尺寸减小而减小．