纳米物理学I
纳米微粒的物理特性
（2）原因
颗粒小; 表面能高、比表面原子数多; 表面原子近邻配位不全，活性大; 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，纳米微粒熔点急剧下降。
2、开始烧结温度降低
（1）烧结温度：所谓烧结温度是指在低于熔点的温度 下使粉末互相结合成块，密度接近常规材料的最低加 热温度。 （2）原因：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，空位团的 湮没，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。
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：峰值红外吸收频率是814cm-1 大块SiC固体：峰值红外吸收频率是794cm-l。 纳米氮化硅颗粒：峰值红外吸收频率是 949cm-l 大块Si3N4固体：峰值红外吸收频率是935cm-l
激子：在光跃迁过程中，被激发到导带中的电子和在 价带中的空穴由于库仑相互作用，将形成一个束缚 态，称为激子。 分类：通常可分为万尼尔（Wannier）激子和弗伦 克尔（Frenkel）激子。 万尼尔激子：电子和空穴分布在较大的空间范围，库 仑束缚较弱，电子“感受”到的是平均晶格势与空穴的 库仑静电势，这种激子主要是在半导体中； 弗伦克尔激子：电子和空穴束缚在体元胞范围内，库 仑作用较强，这种激子主要是在绝缘体中。
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。 例：1991年海湾战争中，美国F117A型飞机的隐身 材料就是含有多种纳米粒子对不同的电磁波有强烈的 吸收能力。在42天战斗中，执行任务的的飞机1270架 次，摧毁了伊拉克95%的军事设施而美国战机无一受 损。 科索沃战争中B2隐形轰炸机轰炸我南联盟大使馆
纳米材料物理热学性质
纳米材料的热学性质纳米材料是一种既不同于晶态，又不同于非晶态的第三类固体材料，通常指三维空间尺寸至少有一维处于纳米量级 ( 1 n m～1 0 0 n m)的固体材料。
由于纳米材料粒径小，比表面积大，处于粒子表面无序排列的原子百分比高达 l 5 ～5 0 ％。
纳米粒子的这种特殊结构导致其具有不同于传统材料的物理化学特性。
纳米材料的高浓度界面及原子能级的特殊结构使其具有不同于常规块体材料和单个分子的性质，纳米材料具有表面效应，体积效应，量子尺寸效应宏观量子隧道效应等，从而使得纳米材料热力学性质具有特殊性，纳米材料的各种热力学性质如晶格参数，结合能，熔点，熔解焓，熔解熵，热容等均显示出尺寸效应和形状效应。
可见，纳米材料热力学性质在各方面均显现出与块体材料的差异性，研究纳米材料的热力学性质具有极其重要的科学意义和应用价值。
一热容1996年，在低温下测定了纳米铁随粒度变化的比热，发现与正常的多晶铁相比，纳米铁出现了反常的比热行为，低温下的电子比热系数减50 %。
1998年，通过研究了粒度和温度对纳米粒子热容的影响，建立了一个预测热容的理论模型，结果表明:过剩的热容并不正比于纳米粒子的比表面，当比表面远小于其物质的特征表面积时，过剩的热容可以认为与粒度无关。
2002年，又把多相纳米体系的热容定义为体相和表面相的热容之和，因为表面热容为负值，所以随着粒径的减小和界面面积的扩大，将导致多相纳米体系总的热容的减小，二.晶格参数，结合能，内聚能纳米微粒的晶格畸变具有尺寸效应，利用惰性气体蒸发的方法在高分子基体上制备了1. 45nm 的pd纳米微粒，通过电子微衍射方法测试了其晶格参数，发现 Pd 纳米微粒的晶格参数随着微粒尺寸的减小而降低。
结合能的确比相应块体材料的结合能要低。
通过分子动力学方法，模拟 Pd 纳米微粒在热力学平衡时的稳定结构，并计算微粒尺寸和形状对晶格参数和结合能的影响，定量给出形状对晶格参数和结合能变化量的贡献研究表明:在一定的形状下，纳米微粒的晶格参数和结合能随着微粒尺寸的减小而降低，在一定尺寸时，球形纳米微粒的晶格参数和结合能要高于立方体形纳米微粒的相应量。
物理学中的纳米技术和微电子学
物理学中的纳米技术和微电子学纳米技术和微电子学是现代科技的前沿领域，它们在物理学中扮演着重要的角色。
本文将探讨这两个领域的基本概念、发展历程、应用领域以及未来发展趋势。
纳米技术基本概念纳米技术是指在纳米尺度（1-100纳米）上对物质进行操控和研究的科学技术。
纳米尺度下的物质具有特殊的物理、化学和生物学性质，这些性质为实现高性能的纳米器件和材料提供了可能。
发展历程纳米技术的概念最早可以追溯到20世纪80年代，当时科学家发现，当物质尺度达到纳米级别时，其性能会发生显著变化。
1986年，美国科学家理查德·费曼（Richard Feynman）在加州理工学院的一次讲座中首次提出了纳米技术的概念。
此后，纳米技术逐渐受到全球科学家的关注，并在20世纪90年代取得了突破性进展。
应用领域纳米技术在物理学领域的应用主要包括纳米材料、纳米器件和纳米制造等方面。
纳米材料具有独特的物理性质，如量子效应、表面效应和尺寸效应等，这使得它们在电子、光学、磁学和力学等领域具有广泛的应用前景。
纳米器件则利用纳米材料的特殊性质，实现了高性能的电子、光电子和量子器件。
纳米制造技术则为实现纳米器件的大规模生产提供了可能。
未来发展趋势随着纳米技术的不断发展，未来物理学领域的研究将更加注重纳米尺度下的基本物理现象和规律。
同时，纳米技术在实际应用中的潜力也将不断挖掘，为人类带来更多的便利。
此外，纳米技术的跨学科特点也将使其在生物学、化学、材料科学等领域发挥更大的作用。
微电子学基本概念微电子学是研究半导体材料在微观尺度上的电子性质、器件设计和制造技术的学科。
微电子器件主要包括晶体管、集成电路和半导体传感器等，它们是现代电子设备和信息技术的基石。
发展历程微电子学的发展始于20世纪40年代，当时美国科学家杰克·基尔比（Jack Kilby）和罗伯特·诺伊斯（Robert Noyce）分别发明了晶体管和集成电路，从而开启了微电子时代。
纳米材料在物理学中的应用
纳米材料在物理学中的应用纳米材料是一种具有小尺寸、高比表面积和独特的物理化学性质的新材料，其在物理学中的应用正在逐渐展开。
本文将首先介绍纳米材料的特点，其次探讨纳米材料在物理学中的应用，最后讨论纳米材料目前存在的一些问题。
一、纳米材料的特点纳米材料是指尺寸在1-100纳米的物质，或者是由纳米级组成的物质。
纳米材料的特点主要有以下几个方面：1.小尺寸：纳米材料的尺寸非常小，通常在1-100纳米之间，这使得它们比同种材料的普通微粒具有更大的比表面积；2.高比表面积：由于纳米材料的尺寸较小，它们所具有的比表面积也就更大，这导致纳米材料具有特殊的物理化学性质；3.量子效应：当物质尺寸减小到纳米级别时，原本连续的能带分裂成了离散能级，导致一些特殊的物理化学性质的出现；4.物理-化学性质改变：由于纳米材料的尺寸小，它们具有的物理化学性质通常与普通微粒不同。
二、由于纳米材料具有特殊的物理化学性质，因此其在物理学中的应用也就更加广泛。
以下是几个典型的应用：1.量子点：量子点是三维空间中的一种纳米级结构，其尺寸一般在1-10纳米之间，具有量子效应。
量子点的尺寸和形状可以通过控制原材料的制备过程来调整。
由于具有特殊的电子结构和荧光特性，量子点可以用于生物学、医学、能源、环境保护等领域。
2.纳米线：纳米线是尺寸在纳米级别的极细的物质，通常由金属、半导体、氧化物等构成。
纳米线具有特殊的电磁特性、光学特性、力学特性等，因此它们广泛应用于柔性光电器件、传感器、分子探测器等领域。
3.磁性纳米粒子：磁性纳米粒子具有特殊的物理化学性质，可以广泛应用于药物传递、生物分析、环境监测、磁盘制造、水处理等领域。
同时，由于磁性纳米粒子具有超导性、磁场温度记录等特殊性质，在物理学中也有重要的应用。
三、纳米材料存在的问题纳米材料在应用过程中，也存在着许多问题：1.北极化问题：纳米材料的低温性质通常具有矛盾性，一方面在低温下它们表现出了强烈的磁性，另一方面在低温下它们又有可能失去磁性。
纳米物理学的基本问题
纳米物理学的基本问题一、引言自20世纪90年代末期以来，纳米科学和纳米技术的发展带来了极大的关注。
纳米尺度下物质的性质被发现与宏观尺度下截然不同，这使得纳米物理学成为了一个备受研究者关注的领域。
本文将讨论纳米物理学中的基本问题。
二、尺度效应在纳米尺度下，物质的性质会发生巨大变化。
这种变化是由尺度效应引起的。
尺度效应指的是材料的性质会随着其尺寸的减小而发生变化。
在纳米尺度下，材料的表面积和体积之比会变得很大，表面活性也会变得很大。
同时，材料的量子效应也会变得显著。
这些效应都使得纳米材料的性质与宏观材料存在很大差异。
三、量子效应量子效应可以影响纳米材料的电学、光学和热学性质等。
量子效应的产生源于电子波长的大小与纳米材料尺寸相当。
在纳米尺度下，电子的波动性变得显著，它们可以跨越经典壁垒，或者存在于能隙中。
因此，纳米材料的导电性质和能带结构会因量子效应而发生重大变化。
四、热学性质热学性质也受到尺度效应和量子效应的影响。
在纳米材料中，热输运过程与宏观材料有很大不同。
量子效应将会影响热输运的机制，从而影响材料的热导率。
在纳米尺度下，约束效应也会影响热学性质，包括比热以及相变温度等。
五、表面效应在纳米尺度下，表面工程是很重要的。
表面效应可以影响纳米颗粒的结构、热力学性质和生物学特性等。
例如，在一些纳米颗粒中，表面呈现出不同于材料内部的晶体结构，这被称为阴影晶体。
阴影晶体的表面会显示出许多有趣的物理和化学现象，如表面吸附和催化等。
六、自组装现象在纳米颗粒中，自组装现象变得尤为重要。
自组装现象指的是在没有外力驱动下，分子自发形成有序结构的过程。
自组装可以用来制备一系列纳米材料，例如纳米晶体、有序多孔材料等。
自组装还可以用于制备生物材料和化学材料，从而应用到药物传递和催化等领域。
七、应用由于纳米材料的这些特殊性质，人们已经开始将纳米技术用于各种领域的应用。
医学领域中，纳米颗粒已经被应用于药物传递和生物成像等。
纳米纤维的发展，使得纳米机械的应用成为可能。
纳米技术在物理学中的应用
纳米技术在物理学中的应用近年来，纳米技术在各个领域中得到了广泛的应用，特别是在物理学领域。
纳米技术的发展给物理学研究带来了革命性的变化，不仅在材料科学、光学、电子学等方面有重要影响，还提供了新的研究方法和实验手段。
本文将就纳米技术在物理学中的应用进行探讨。
一、纳米材料在物理学中的应用纳米材料是指具有纳米尺寸的物质，具有很多独特的物理、化学和电子特性。
由于纳米材料具有较大的比表面积和量子效应等特点，使得它们在物理学研究中扮演着重要的角色。
首先，纳米材料在材料科学中的应用得到了广泛的关注。
通过控制纳米材料的尺寸和形状，可以改变其物理和化学性质。
纳米材料的制备和表征成为了物理学研究的重要内容，例如研究纳米颗粒的量子尺寸效应以及纳米线的光电学性质等。
此外，纳米材料在能源存储、催化剂、生物传感器等领域也有广泛的应用。
其次，纳米材料还在光学领域有重要的应用。
纳米颗粒和纳米结构的光学性质与其尺寸密切相关。
研究表明，纳米材料的光学特性发生显著变化，在表面增强拉曼散射(SERS)、光子晶体、纳米光子学等领域具有重要的应用价值。
纳米光学的研究为新型光学器件的设计和制备提供了理论和实验基础，有望在信息处理、光通信和传感等领域取得突破。
最后，纳米材料在电子学中的应用也非常突出。
由于纳米材料的尺寸效应和量子效应，在电子输运、磁性材料等方面呈现出许多新的现象和特性。
纳米材料在纳米电子器件中的应用已经从理论模拟到实际制备，例如纳米晶体管、纳米探针、量子点器件等。
这些纳米电子器件在信息存储、计算和通信等方面具有重大的潜力。
二、纳米技术在物理学实验中的应用纳米技术的发展不仅在材料层面有重要应用，在物理学实验中也起到了重要的作用。
首先，纳米技术在物理学实验中推动了高分辨率仪器的发展。
利用纳米技术制备的探针，可以在原子尺度下进行表征和测量。
例如，通过原子力显微镜(AFM)、透射电子显微镜(TEM)等高分辨率仪器，可以观察到材料表面的原子结构以及材料内部的纳米结构。
物理学中的微纳米技术新创新
物理学中的微纳米技术新创新随着人类科技水平的提高，微纳米技术获得了越来越多的关注和探究。
在物理学领域，微纳米技术的应用范围也越来越广泛。
本文将介绍物理学中最新的微纳米技术创新。
一、碳纳米管技术碳纳米管是一种新的纳米材料，具有细长的管状结构，在物理学中得到广泛的应用。
研究表明，碳纳米管具有很高的强度和导电性能，因此可以应用于电子器件和机械设备的制造中。
近年来，科学家们通过一系列的实验和研究，推出了一种新型碳纳米管的合成方法，这种碳纳米管具有更好的稳定性和导电性能，可应用于微型电子器件的制造和纳米机器人的设计。
二、量子计算技术量子计算是物理学领域的一个新兴领域，在微纳米技术中占有重要的地位。
因为量子计算的速度比传统计算机快得多，而且在一些领域中有着无法比拟的优势。
最近，科学家们在量子计算技术方面又有了重大突破。
他们发现利用量子比特（qubit）初始化技术，可以快速地实现量子计算机中的全局相位操作。
这项技术为制造更加稳定、高效的量子计算机打下了基础和保障。
三、石墨烯技术石墨烯是一种新型碳素材料，具有单原子的厚度和极高的导电性和热导性。
在物理学领域中，石墨烯已得到广泛的应用。
研究表明，石墨烯可以用于制造更加优秀的电子器件和纳米机械设备。
近年来，科学家们已经发现了一种新型的石墨烯材料——氧化石墨烯。
这种氧化石墨烯具有更好的化学性质和热稳定性，可以应用于更加敏感的传感器和生物识别器件中。
四、太赫兹波技术太赫兹波是物理学领域的另一个新兴领域，在微纳米技术中具有很大的潜力。
太赫兹波的频率介于微波和红外线之间，可以用于传感和成像等方面，有着广泛的应用前景。
近年来，科学家们通过实验和研究，发现了新型太赫兹波材料——钙钛矿材料。
这种钙钛矿材料具有很高的太赫兹波反射率和透射率，可以应用于更加高效的太赫兹波器件的制造中。
结论微纳米技术在物理学领域中具有广泛的应用前景，而且不断涌现着新的技术创新。
通过不断地研究和探索，我们相信微纳米技术将会在未来的科技发展中发挥更加重要的作用。
计算物理学中的纳米材料计算
计算物理学中的纳米材料计算随着科技的飞速发展，越来越多的材料或设备被设计成了纳米尺度，这些纳米材料具有独特的性质和行为，使得它们在许多领域都有着广泛的应用，例如能源、生物医学和电子学等。
然而，由于纳米材料尺度的微小性和表面效应的显著性，对其性质和性能的研究变得异常困难，需要使用计算物理学等先进技术进行解决。
计算物理学是指通过计算机模拟等数学计算方法研究物理系统的一种方法。
纳米材料计算就是使用计算物理学中的相关技术对纳米材料进行模拟和计算，以便研究其物理和化学性质。
这种方法可以帮助科学家们了解纳米材料的行为和性质，并为纳米技术的发展提供一些重要的见解。
第一部分：纳米材料的计算方法在纳米材料的计算中，常用的算法包括分子动力学模拟、密度泛函理论、多体格林函数、紧束缚近似等。
其中，分子动力学模拟是一种基于牛顿力学和随机过程的经典方法，主要用于模拟凝聚态系统的结构和动力学行为。
该方法可以很好地模拟纳米材料的热力学性质、力学性质、表面效应和化学反应等。
另一个常用的方法是密度泛函理论，它是一种计算量子力学性质的方法，也被广泛应用于纳米材料的计算中。
密度泛函理论将自由能变化与系统的电荷密度相关联，从而可以计算出材料的本征态、等离子体激元、局域场增强效应等性质。
此外，多体格林函数和紧束缚近似也可以用于纳米材料的计算，其中多体格林函数是一种用于描述系统自由度与外界环境耦合的方法，而紧束缚近似则是一种用于描述电子行为的模型，它可以帮助研究量子点、纳米线、石墨烯等纳米材料中的电子性质。
第二部分：纳米材料的性质和应用通过计算物理学中的纳米材料计算，科学家们可以得到许多关于纳米材料的性质和应用的信息。
例如，他们可以计算纳米材料的结构、形态、热学性质、电学性质等基本特征，以及纳米材料的磁性、光学性质、催化性能、生物相容性等功能性特征。
此外，纳米材料还具有广泛的应用领域。
例如，纳米化材料可以用于制造更小、更敏感、更高效的传感器、存储介质、光电子元件等，从而提高设备性能。
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纳米物理学简介
纳米科技的基本概念和内涵 纳米材料和技术领域研究的对象和发展历 史 纳米材料的奇特性质 纳米结构单元 纳米微粒的基本理论
●纳米科技的基本概念和内涵
◆纳米体系尺寸 1~100nm （非宏观，非微观） ◆纳米科学技术的基本涵义 （1）在1~100nm范围内认识和改造自然，通过直 接操作和安排原子、分子创造新的物质。 （2）研究0.1~100nm之间的物质组成的体系的运 动规律，相互作用以及可能的应用
1970年，法国奥林大学Endo用气相生长技术 制成直径7nm的碳纤维，但没有进行评估与 表征。 1991年，美国海军实验室，预言了碳纳米管 的电子结构，文章未发表。 1991年，莫斯科物理研究所人员几乎与饭岛 同时发现碳纳米管和纳米管束。 1996年，中科院物理所解思深等人实现碳纳 米管的定向生长，制成超长碳纳米管（mm 级） 纳米管直径：零点几纳米到几十纳米； 管间距：0.34nm
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●纳米材料的奇特性质
1. 纳米材料与其他学科的交叉 原子物理、凝聚态物理、胶体化学、固体 化学、配位化学、化学反应动力学、表面和 界面。 2. 特性 （1）电子平均自由程很短，电子的局域性和相 干性增强 （2）尺度下降，电子准连续能谱消失，表现为 分立能级。量子尺度效应十分显著。
（3）金属纳米材料电阻随尺寸下降而增大， 温度系数的下降甚至变为负值。 （4）原为绝缘体的氧化物，尺寸为纳米级， 电阻反而下降。 （5）10~25nm的铁磁金属微粒矫顽力比相 同的宏观材料大1000倍，当颗粒尺寸小 于10nm，矫顽力变为零，表现为超顺磁 性。 （6）纳米氧化物和氮化物在低频下，介电 常数极大增强。 （7）对红外，微波有良好的吸收作用（纳 米氧 化物）。
◆纳米科技的诞生及取得的进展
20世纪80年代末诞生 1990年7月，美国巴尔的摩，召开首届 国际纳米科技会议 1996年第四届国际会议在中国召开 至目前已召开7次 （1）IBM公司利用扫描隧道电子显微 镜（STM）直接操作原子，在Ni基板上安 排原子，组成“IBM”字样。日本科学家将 硅原子堆成“金字塔”。1993年中科院 北京真空物理实验室把原子排成“中国”。
微型机器人的设计是基于分子水平 的生物学原理，细胞本身就是一个活 生生的纳米机器，细胞中的每一个酶 分子也就是一个活生生的纳米机器人。
另据美国《商业周刊》报道，美国 加利福尼亚州帕萨迪纳市的喷气式飞机 推进器实验室目前正在研制一种被称为 “纳米麦克风”的微型扩音器。利用这 种新产品，科学家将可以对其他星球上 是否存在生命进行探测，因为这种仪器 非常灵敏，甚至可以探测到生物体内单 个细胞的生长发育时所发出的声音。
纳米机器人
据报道，瑞典已经开始制造微型医用机器 人。这种机器人由多层聚合物和黄金制成，外 形类似人的手臂，其肘部和腕部都很灵活，有2 到4个手指，实验已进入能让机器人捡起和移动 肉眼看不见的玻璃珠的阶段。科学家希望这种 微型医用机器人能在血液、尿液和细胞介质中 工作，捕捉和移动单个细胞，成为微型手术器 械
STM 技术在Si(111)面 上形成的“中国”字样。
最邻近硅原子间的距离 为0.4nm。
我国SPM系统在Au-Pd 合金膜表面上机械刻画出的 最小线宽为25nm。
用AFM机械刻蚀原理刻 写的亚微米尺寸的唐诗
0 2 4 6 8 10mm
（2）纳米陶瓷氟化钙研制成功 （德国萨尔大学—格莱德）；纳 米二氧化钛（美国阿贡国家实验 室—席格），在室温下有良好的 韧性，180℃经受弯曲并不产生 裂纹。纳米陶瓷是解决陶瓷脆性 的战略途径—英国《Nature》杂 志
（8）观察到常规材料根本看不到的发光现象。 如：纳米氧化铝、氧化钛、氧化硅、氧化锆。 （9）表面效应：尺寸减少，比表面积大大增加。 直径5nm颗粒：表面占50％；直径2nm颗粒： 表面占80％。 （10）粒径30nm的镍可把有机化学加氢和脱氢 反应速度提高15倍。 （11）纳米氧化铝粒子放入橡胶中可提高介电 性和耐磨性。 （12）氧化铝弥散到玻璃中，能提高高温冲击 性。 （13）纳米磁性氧化物粒子与高聚物复合，有 良好的微波吸收性。
从几何学的角度分析，纳米材料 科学研究对象包括以下几个方面：
横向结构尺寸小于100nm的物体 粗糙度小于100nm的表面 纳米微粒与多孔介质的组装体系 纳米微粒与常规材料的复合
超高精度纳米材料制备技术有：
球磨和机械合金化工艺和技术 化学合成工艺和技术 等离子电弧合成技术 电火花制备技术 激光合成技术 生物学制备技术 磁控溅射技术 燃烧合成技术 喷雾合成技术
（2）纳米棒 纵横比（长度与直径比）纳米棒（<10-6m）， 纳米丝（> 10-6m） 1997年，清华大学，韩伟强等，制成SiC纳米 丝（直径3~40nm） （3）同轴纳米电缆 指芯部为半导体或导体的纳米丝 1997年，法国Colliex等发现C-BN-C管 1998年，日本NEC公司张跃刚制成长50微米， 直径几十纳米的同轴电缆。 1998年，日本，法国，制成超导TaC丝为芯外 包非晶SiO2的同轴电缆，长度几十微米至几 百微米。纳米物理学简介
（3）人造原子电子间强交互作用比实际原子复杂。 电子轨道间距减少，研究多电子系统的最好对象。 （4）实际原子电子受核吸引作轨道运动，人造原 子中电子部分处于势阱上部，弱的束缚使之具 有自由电子特征。 （5）人造原子放入一个电子或拿出一个电子很容 易引起电荷涨落，放入电子相当于充电。 4. 纳米管、纳米棒、纳米丝和同轴纳米电缆 （1）纳米管 1991年，日本NEC公司Iijima(饭岛）：制成多层同 轴碳纳米管
●纳米微粒的基本理论
1. 电子能级的不连续性 久保理论：（1）简并费米液体假设；（） 费米面附近的电子态视为受尺寸限制的简并 电子气；（3）靠近费米面的电子能级分布 为泊松分布。 2. 量子尺寸效应 当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能 级附近的电子能级间隙（能隙）变宽现象均 称量子尺寸效应。
3. 小尺寸效应 当超细颗粒的尺寸与光波长、德波罗意 波长以及超导相干长度或穿透深 度等物理 物征尺寸相当或更小时，晶体周期性边界条 件被破坏，出现新的小尺寸效应。 （１）光吸收明显增加 （２）磁有序向无序转变，超导相向正常相转 变 （３）矫顽力增加 16nm Fe:矫顽力（Ｔ＝5.5K)1.27×105A/m and （室温）7.9× 104A/m; 块状： 79.62A/m
1991年，IBM科学家制成超快 氙原子开关，专家预言，美国国会 图书馆全部藏书可存储到0.3cm的硅 片上。 英国《科学与共同政策》报道， 最近制成尺寸只有4nm的复杂分子， 有“开”和“关”之特性。
美国IBM公司首席科学家 Armstrong说：“正像20世 纪70年代微电子技术产生了信 息革命一样，纳米科学技术将 成为21世纪信息时代的核心”。 钱学森预言：“纳米和纳米以 下结构是下一阶段科技发展的 一个重点，会是一次技术革命， 从而将是非曲直世纪又一次产 业革命”。
碳纳米管电机
世界上第一台用纳米管和蚀刻硅建造的 最小的静电电机诞生（2003年7月24日《自 然》），这种电机横断面为500nm，只有头 发丝直径的三百分之一。转子长度在100至 300nm之间，碳纳米管转轴的横断面只有5至 10nm。导线绕在其上。（美国伯克利加州大 学亚历克斯.泽特尔和他的学生共同完成）
2. 发展历史 1974年，日本最早把“纳米”这一术语用 于技术 80年代：用纳米来命名材料。 自然界：（1）天体陨石碎块，人体和兽类 的牙齿由纳米微粒构成。 （2）海洋中胶体粒子（<120nm）浓度很高。 （3）磁性纳米粒子：蜜蜂体内存在，导航用； 海龟头部有，导航用。 人工制备：中国古代，利用燃烧蜡烛来收 集碳黑作为墨的原料；古代铜镜表面的防 锈层——纳米氧化锡颗粒。
（3）纳米生物学在90年代 初斩露头角。在纳米尺度上认 识生物大分子的精细结构及其 功能的联系，在此基础上按照 自己的意愿进行裁剪和嫁接， 制造特殊功能的生物大分子。 纳米生物产品、纳米食品、控 制人口增长可能提供新途径。
（4）纳米微机械和机器人是 十分引人注目的研究方向。纳 米机器人（尺寸比人体红血球 小），用原子和分子直接组装。 速度、效率高、应用范围广、 功能特殊、污染程度低。
（4）声子谱发生改变 （5）纳米颗粒的熔点远低于块的情况 2nm金颗粒：熔点600K，块状1337K 纳米银粉熔点：373K，块1173K 20nm Pb: 288K，块600K 常规Al2O3烧结：2073~2173K，纳米： 1423~1773K。
4. 表面效应 （1）纳米微粒尺寸与表面原子数的关系 d (nm) 总原子数 表面原子所占比例 10 3×104 20 4 4×103 40 2 2.5×102 80 1 30 99 （2）粒径与比表面积的关系 粒径 比表面积 10nm 90m2/g 5nm 180m2/g 2nm 450m2/g
●纳米结构单元
3. 人造原子 指由一定数量的实际原子组成的聚集 体（有时称量点）<100nm 1996年，Ashoori正式提出人造原子概念 1997年，McEuen在Science上指出了人造 原子的意义。100nm左右的量子器件也被 称作“人造原子”。 人造原子与真正原子的主要差别为： （1）人造原子含有一定数量的真正原子 （2）人造原子的对称性和形状是样的
●纳米材料和技术领域研究的 对象和发展历史
1. 纳米材料的基本单元 （1）零维：指空间三维尺度均在纳米尺度 e.g. 纳米尺度颗粒，原子团簇—量子点 （2）一维：有两维处于纳米尺度—量子线 e.g.纳米丝、纳米棒、纳米管（nanotube) （3）二维：有一维处于纳米尺度—量子阱 e.g.超薄膜、多层膜、超晶格等。
1959年，费曼预言：“毫 无疑问，当我们得以对细微尺 度的事物加以操纵的话，将大 大扩充我们可能获得物性的范 围”。他还设想：“如果有朝 一日人们能把百科全书存于一 个针尖大小的空间内并能移动 原子，那么这将给科学带来什 么！”