纳米材料结构与性能

纳米材料结构与性能

摘要

纳米材料具有的独特的物理和化学性质，使人们意识到它的发展可能给物理、化学、材料、生物、医药等学科的研究带来新的机遇。纳米材料的应用前景十分广阔。本文简要介绍了纳米材料在结构与性能方面的一些独特的性质，包括其物理效应以及物理化学性质。

关键字：纳米材料，效应，特性

1.纳米材料

纳米材料是指特征尺寸在纳米数量级(通常指1~100 nm)的极细颗粒组成的固体材料。从广义上讲，纳米材料是指三维空间尺寸中至少有一维处于纳米量级的材料。通常分为零维材料（纳米微粒），一维材料（直径为纳米量级的纤维），二维材料（厚度为纳米量级的薄膜与多层膜），以及基于上述低维材料所构成的固体。从狭义上讲，则主要包括纳米微粒及由它构成的纳米固体（体材料与微粒膜）。一般零维纳米材料有纳米颗粒、量子点等，一维纳米材料有纳米线、纳米棒、纳米管、纳米带等，二维纳米材料主要是纳米薄膜。实际研究当中还有一些材料比如象介孔材料、多孔材料、以及具有特殊结构的材料，它们整体在三维方向都超过了纳米范围，但是它们都是有纳米材料构成，并且具有纳米材料的性质，因此由纳米材料组成的块体材料也属于纳米材料的范围[1]。

2.纳米材料的微观结构

纳米级的颗粒是由数目极少的原子或分子组成的原子群或分子群，是一种典型的介观系统。纳米晶粒内部的微观结构与粗晶材料基本相同，从结构上看，它是由两种组元构成的，即材料的体相组元晶体原子和界面组元晶界。纳米材料突出的结构特征是晶界原子的比例很大，当晶粒尺寸为10 nm 时，一个金属纳米晶内的界面可达6×1025 m2，晶界原子达15% ~50%[2]。

目前很难用一个统一的模型来描述纳米晶界的微观结构，其原因在于纳米材料中的晶界结构相当复杂，若是常规材料，截面应该是一个完整的晶体结构，但对于纳米晶来说，由于晶粒尺寸小，界面组元在整个材料中所占的比例极大，晶

界缺陷所占的体积比也相当大，尽管每个单独的分界面可能具有一个二维局部或局域的有序结构，但从一个局部界面到另一个局部界面的周期不同，由所有这样的界面原子组成的界面，其原子排列方式均不同。它不但与材料的成分、键合类型、制备方法、成型条件以及所经历的热历史等因素密切相关，而且在同一块材料中不同晶界之间也各有差异。可以认为纳米材料中的界面存在着一个结构上的分布，它们处于无序到有序的中间状态，有的与粗晶界面结构十分接近，而有的则更趋于无序状态。因此，在整体上构成了一种与晶态和玻璃态均有较大差别的、崭新的微观结构[3,4]。

3.纳米材料的物理效应

由于材料尺度的减小，达到纳米范围以后，会表现出许多块体材料不具有的特殊物理效应，主要包括量子尺寸效应、宏观量子隧道效应、库仑阻塞效应、小尺寸效应、表面效应等[5,6,7,8]。

3.1.量子尺寸效应

所谓量子尺寸效应是指当纳米材料的尺寸下降到一定程度时，其费米能级附近的电子能级由准连续转变为分立的现象，同时纳米材料的能隙变宽，以及由此导致的纳米材料光、磁、热、电、催化等特性与体材料显著不同的现象。

对半导体材料而言，尺寸小于其本身的激子玻尔半径，就会表现明显的量子效应。纳米半导体微粒存在不连续的最高被占分子轨道和最低未被占分子轨道能级，能隙变宽的现象均称为量子尺寸效应。早在60年代Kubo采用电子模型给出了能级间距与颗粒直径的关系为δ= 4E f/3N。对常规物体，因包含有无限多个

δ→）；对于纳米微粒，因含原原子（N），故常规材料的能级间距几乎为零（0

子数有限，有一定的值，即能级发生了分裂。当能级间距大于热能、磁能、光子能量或超导态的凝聚能时，则引起能级改变、能隙变宽，使粒子的发射能量增加，光学吸收向短波方向移动，直观上表现为样品颜色的变化，这些必导致纳米晶体材料的光、热、磁、声、电等与常规材料有显著的不同，如特异的光催化、较高的非线性光学效应等。量子尺寸效应产生最直接的影响就是纳米晶体吸收光谱的边界蓝移。这是由于在纳米尺度半导体微晶中，光照产生的电子和空穴不再是自由的，存在库仑作用，此电子-空穴对类似于大晶体中的激子。由

于空间的强烈束缚导致激子吸收峰蓝移， 带边以及导带中更高激发态均相应蓝移。粒子尺寸越小，激发态能移越大，吸收峰蓝移。

纳米材料中处于分立的量子化能级中电子的波动性带来了纳米材料的一系列特殊性质，如高度光学非线性、特异性催化和光催化性质、强氧化性和还原性（如随着半导体纳米晶粒粒径的减小，分立能级增大，其光生电子比宏观晶态材料具有更负的电位，相应地表现出更强的还原性；而光生空穴因具有更正的电位，表现出更强的氧化性）

3.2. 宏观量子隧道效应

量子隧道效应是从量子力学的粒子具有波粒二象性的观点出发，解释粒子能够穿越比总能量高的势垒，这是一种微观现象。微观粒子具有贯穿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和量子相干器件中的磁通量等也具有隧道效应，称其为宏观量子隧道效应。微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。利用它可以解释纳米镍粒子在低温下继续保持超顺磁性的现象。宏观量子隧道效应的研究对基础研究及实用都有着重要意义。它限定了磁带、磁盘进行信息贮存的时间极限。量子尺寸效应、隧道效应将会是未来微电子器件的重要影响因素，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细微化时，必须要考虑上述的量子效应。

3.3． 库仑阻塞效应

所谓库仑阻塞效应是指单电子的输运行为。当体系的尺度进入纳米范围以后，由于冲入一个电子的能量2

c 2e E C

=，e 为一个电子的电荷，C 为材料的电容，材料的尺度越小，能量C E 越大。因此C E 是上一个电子对下一个电子的排斥能，称

为库仑阻塞能，上述现象导致了电子不能集体传输，而是一个一个单电子传输。如果在利用量子隧穿可以设计下一代纳米结构器件，如性能优越，功耗低的单电子晶体管。然而库仑阻塞和量子隧穿一般都是在极低的温度下发现的，其观察条件是2

e 2B k T C

>。因此假如我们能够减小体系的尺寸，就可以提高其发生的温度，大概当量子点的尺寸为1 nm 左右，就可以在室温下观察到并利用上述效应。