第二章-纳米材料及其基本性质ppt课件

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1、1第二章第二章纳米材料及其纳米材料及其基本性质基本性质11第二章第二章纳米材料及其纳米材料及其基本性质基本性质12一、纳米材料学一、纳米材料学关于纳米材料的性质、合成、结构及其变化规律和关于纳米材料的性质、合成、结构及其变化规律和应用的一门学科。应用的一门学科。纳米粉体材料及其衍生材料的工艺技术路线纳米粉体材料及其衍生材料的工艺技术路线结构与性能的关系结构与性能的关系基础应用等基础应用等第一节第一节纳米材料纳米材料22一、纳米材料学第一节一、纳米材料学第一节纳米材料纳米材料23二、纳米材料二、纳米材料三维空间中至少有一维尺寸小于三维空间中至少有一维尺寸小于100nm的材料或的材料或由它们作为基

2、本单元构成的具有特殊功能的材料由它们作为基本单元构成的具有特殊功能的材料。分类方法：分类方法：维度（维度（数数）、材料的性质、结构、性能等）、材料的性质、结构、性能等33二、纳米材料二、纳米材料342.1维数维数v0维：指在空间指在空间3维尺度均在纳米尺度维尺度均在纳米尺度v1维维：指在空间有指在空间有2维处于纳米尺度维处于纳米尺度v2维维：指在空间中有指在空间中有1维在纳米尺度维在纳米尺度v3维：纳米固体，由纳米微粒组成的体相材料维：纳米固体，由纳米微粒组成的体相材料ABC442.1维数维数0维：维：指在空间指在空间3维尺度均在纳米尺度维尺度均在纳米尺度ABC452.1维数维数v0维：指在空

3、间指在空间3维尺度均在纳米尺度维尺度均在纳米尺度51985年，科尔、科罗脱和斯麦利发现了年，科尔、科罗脱和斯麦利发现了C60团簇，团簇，也叫巴基球，也叫巴基球，C60直径大约是直径大约是1纳米。纳米。52.1维数维数0维：维：指在空间指在空间3维尺度均在纳米尺度维尺度均在纳米尺度519856v1维维：指在空间有两维处于纳米尺度指在空间有两维处于纳米尺度纳米管纳米管纳米线纳米线纳米棒纳米棒661维：指在空间有两维处于纳米尺度维：指在空间有两维处于纳米尺度67v2维维：指在空间中有指在空间中有1维在纳米尺度维在纳米尺度7纳米膜纳米膜纳米膜分为颗粒膜与致密膜纳米膜分为颗粒膜与致密膜颗粒膜是纳米颗粒粘

4、在一起，中间有极为细小的间隙的薄膜颗粒膜是纳米颗粒粘在一起，中间有极为细小的间隙的薄膜致密膜指膜层致密但晶粒尺寸为纳米级的薄膜。致密膜指膜层致密但晶粒尺寸为纳米级的薄膜。可用于：气体催化（如汽车尾气处理）材料；过滤器材料；可用于：气体催化（如汽车尾气处理）材料；过滤器材料；平面显示器材料；超导材料等。平面显示器材料；超导材料等。72维：指在空间中有维：指在空间中有1维在纳米尺度维在纳米尺度7纳米膜纳米膜纳米膜分为颗粒纳米膜分为颗粒83维维：纳米块体材料纳米块体材料由纳米微粒组成的体相材料由纳米微粒组成的体相材料由大量纳米微粒在保持表（界）面清洁条件由大量纳米微粒在保持表（界）面清洁条件下组成的

5、三维系统，其界面原子所占比例很高下组成的三维系统，其界面原子所占比例很高单相微粒组成的纳米相材料；单相微粒组成的纳米相材料；两种或以上的相微粒组成的纳米复合材料两种或以上的相微粒组成的纳米复合材料883维：纳米块体材料维：纳米块体材料892D量子阱量子阱1D量子线量子线0D量子点量子点3D大块材料大块材料992D量子阱量子阱1D量子线量子线0D量子点量子点3D大块材料大块材料910按材料的性质、结构、性能按材料的性质、结构、性能、来源、来源可有不同的分类方法可有不同的分类方法化学组成：纳米金属、纳米晶体、纳米陶瓷、纳米玻璃、化学组成：纳米金属、纳米晶体、纳米陶瓷、纳米玻璃、纳米高分子和纳米复合

6、材料。纳米高分子和纳米复合材料。按材料物性：纳米半导体、纳米磁性材料、纳米非线性光按材料物性：纳米半导体、纳米磁性材料、纳米非线性光学材料、纳米铁电体、纳米超导材料学材料、纳米铁电体、纳米超导材料按应用：纳米电子材料、纳米光电子材料、纳米生物医用按应用：纳米电子材料、纳米光电子材料、纳米生物医用材料、纳米敏感材料、纳米储能材料等。材料、纳米敏感材料、纳米储能材料等。1010按材料的性质、结构、性能、来源可有不同的分类方法化学组成按材料的性质、结构、性能、来源可有不同的分类方法化学组成11三、三、纳米粉体纳米粉体超微粉体超微粉体微米粉体（微米粉体（1100m）亚微米粉体（亚微米粉体（0.11m）

7、纳米粉体（纳米粉体（1100nm）（0.0010.1m）11纳米微粒是指纳米微粒是指尺尺度处于度处于1100nm之间的粒子的之间的粒子的集合集合体，是处于该几何尺寸的各种粒子体，是处于该几何尺寸的各种粒子集合集合体的总称。体的总称。11三、三、纳米粉体超微粉体微米粉体（纳米粉体超微粉体微米粉体（1100m）1112特性：特性：1)粒度细粒度细2)比表面积大比表面积大3)分布均匀分布均匀4)表面活性高表面活性高应用广：应用广：高档涂料高档涂料新型陶瓷新型陶瓷微电子及信息材料微电子及信息材料添加剂添加剂1212特性：应用广：特性：应用广：1213纳米粉体示例：纳米粉体示例：纳米金属粉体（纳米金属粉

8、体（CuCu）纳米氧化物纳米氧化物(金属、非金属、两性金属、非金属、两性)1313纳米粉体示例：纳米金属粉体（纳米粉体示例：纳米金属粉体（Cu）纳米氧化物）纳米氧化物1314纳米金属硫化物纳米金属硫化物纳米碳（硅）化物纳米碳（硅）化物1414纳米金属硫化物纳米碳（硅）化物纳米金属硫化物纳米碳（硅）化物1415【例例】纳米透明隔热涂料纳米透明隔热涂料 纳米氧化铟锡、氧化锡锑、掺铝氧化锌纳米氧化铟锡、氧化锡锑、掺铝氧化锌15【例】纳米透明隔热涂料【例】纳米透明隔热涂料纳米氧化铟锡、氧化锡锑、掺铝氧化纳米氧化铟锡、氧化锡锑、掺铝氧化16在可见光区均有较高的透过率在可见光区均有较高的透过率(80%90

9、%),ITO用量提用量提高高,可见光透过率略有下降。在波长大于可见光透过率略有下降。在波长大于800nm的近红的近红外区透过率开始下降外区透过率开始下降,波长在波长在1500nm以上的红外光透以上的红外光透过率几乎为零过率几乎为零16在可见光区均有较高的透过率在可见光区均有较高的透过率(80%90%),ITO用用17四、纳米材料的研究内容四、纳米材料的研究内容系统地研究纳米材料的微结构，通过和常规材料对比，系统地研究纳米材料的微结构，通过和常规材料对比，找出纳米材料特殊的规律，找出纳米材料特殊的规律，建立描述和表征纳米材料的建立描述和表征纳米材料的新概念和新理论新概念和新理论。发展新型纳米材料

10、。发展新型纳米材料。目前，纳米材料应用的目前，纳米材料应用的关键技术问题关键技术问题是在大规模制备的是在大规模制备的质量控制中质量控制中,如何做到均匀化、分散化、稳定化。如何做到均匀化、分散化、稳定化。根据性质设计各种特殊功能纳米材料。根据性质设计各种特殊功能纳米材料。1717四、纳米材料的研究内容四、纳米材料的研究内容1718表面效应表面效应小尺寸效应小尺寸效应量子尺寸效应量子尺寸效应宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应 第二节第二节纳米材料的基本性质纳米材料的基本性质物理性能物理性能化学性能化学性能表面活性及敏感性表面活性及敏感性催化性能催化性能1818表面效应第二节表面效应第二节纳米材料的基

11、本性质物理性能化学性能表纳米材料的基本性质物理性能化学性能表19一、表面效应一、表面效应纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随着粒子纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随着粒子尺寸的减小而显著增加，粒子的表面能及表面张尺寸的减小而显著增加，粒子的表面能及表面张力随着增加，物理、化学性质发生变化。力随着增加，物理、化学性质发生变化。10纳米纳米1纳米纳米0.1纳米纳米随着尺寸的减小，表面积迅速增大随着尺寸的减小，表面积迅速增大1919一、表面效应纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随着粒子一、表面效应纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随着粒子120粒度减小引起的表面效应（纳米粒子）粒度减小引起的表面效

12、应（纳米粒子）粒度减小比表面积增大粒度减小比表面积增大粒度减小表面原子所占比例增大粒度减小表面原子所占比例增大表面原子比物质内部原子具有更高的表面原子比物质内部原子具有更高的比表面能比表面能表面原子比物质内部原子具有更高活性和化学反表面原子比物质内部原子具有更高活性和化学反应性应性20粒度减小引起的表面效应（纳米粒子）粒度减小引起的表面效应（纳米粒子）21比表面：比表面：把物质分散成细小微粒的程度称为把物质分散成细小微粒的程度称为分散度分散度常用比表面来表示多相分散体系的分散程度常用比表面来表示多相分散体系的分散程度单位质量的单位质量的物质物质所具有的表面积所具有的表面积单位体积的物质所具有的

13、表面积单位体积的物质所具有的表面积2121比表面：单位质量的物质所具有的表面积比表面：单位质量的物质所具有的表面积2122边长l/m 立方体数 比表面Av/（m2/m3）110-2 1 6 102 110-3 103 6 103 110-5 109 6 105 110-7 1015 6 107 110-9 1021 6 109【例例】把边长为把边长为1cm的立方体的立方体1cm3逐渐分割成小立方体时，比逐渐分割成小立方体时，比表面增长情况列于下表：表面增长情况列于下表：2222边长边长l/m立方体数立方体数2323表面原子所占比例增大表面原子所占比例增大表面能增大表面能增大在在T和和P组成恒组

14、成恒定时，可逆地定时，可逆地使表面积增加使表面积增加dA所需的功叫所需的功叫表面功表面功2323表面原子所占比例增大表面能增大表面原子所占比例增大表面能增大在在T和和P组成恒组成恒24应用应用表面粒子活性高表面粒子活性高纳米粉体米粉体活性高活性高*纳米微粒催化剂纳米微粒催化剂纳米纳米Ni作有机物氢化催化剂，比普通作有机物氢化催化剂，比普通Ni催化剂效率高十倍催化剂效率高十倍*自洁玻璃自洁玻璃:玻璃玻璃+纳米纳米TiO2涂层涂层-催化碳氢化合物的进一步氧化催化碳氢化合物的进一步氧化*汽车尾气净化剂汽车尾气净化剂-纳米纳米Fe、Ni与与r-Fe2O3混合烧结后可代替贵金属混合烧结后可代替贵金属24

15、24应用表面粒子活性高应用表面粒子活性高纳米粉体活性高纳米粉体活性高2425随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的质变。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。质的变化称为小尺寸效应。（1）特殊的光学性质特殊的光学性质（2）特殊的热学性质特殊的热学性质（3）特殊的磁学性质特殊的磁学性质（4）特殊的力学性质特殊的力学性质25二、二、小尺寸效应小尺寸效应25随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质变。由随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质变。由26小尺寸效应产

16、生原因：小尺寸效应产生原因：当纳米颗粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导当纳米颗粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导 态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时晶体周期性的边界条件被破坏，非晶态纳米颗粒表面层晶体周期性的边界条件被破坏，非晶态纳米颗粒表面层 附近原子密度减小附近原子密度减小这将导致声、光、电磁、热力学等特性均会出现新的这将导致声、光、电磁、热力学等特性均会出现新的 尺寸效应尺寸效应 26一质量一质量m=0.05的子弹的子弹,以速率以速率v300m/s运动着运动着,其德布罗其德布罗意波长为多少意波长为多少?26小尺寸效

17、应产生原因：小尺寸效应产生原因：26一质量一质量m=0.05的子弹的子弹,以速以速27纳米颗粒大的比表面导致了平纳米颗粒大的比表面导致了平均配位数下降，不饱和键和悬均配位数下降，不饱和键和悬键增多，使得界面极化，吸收键增多，使得界面极化，吸收频带展宽。频带展宽。在红外光场作用下，纳米颗粒在红外光场作用下，纳米颗粒对红外吸收的频率存在一个较对红外吸收的频率存在一个较宽的分布，导致纳米颗粒的红宽的分布，导致纳米颗粒的红外吸收带的宽化。外吸收带的宽化。1、宽频带强吸收宽频带强吸收2.1光学性质光学性质2727纳米颗粒大的比表面导致了平均配位数下降，不饱和键和悬键纳米颗粒大的比表面导致了平均配位数下降

18、，不饱和键和悬键28纳米吸波复合材料纳米吸波复合材料高效光热、光电转高效光热、光电转换材料换材料2828纳米吸波复合材料纳米吸波复合材料2829蓝移：吸收带向短波方向移动蓝移：吸收带向短波方向移动纳米颗粒的吸收带普遍存在纳米颗粒的吸收带普遍存在“蓝移蓝移”现象的原因：现象的原因：l量子尺寸效应；量子尺寸效应；l表面效应表面效应2、蓝移和红移现象、蓝移和红移现象29BCD29蓝移：吸收带向短波方向移动蓝移：吸收带向短波方向移动2、蓝移和红移现象、蓝移和红移现象29B303、纳米粒子发光、纳米粒子发光蝴蝶翅膀的色彩蝴蝶翅膀的色彩30产生原因：产生原因：半导体具有窄的半导体具有窄的直接跃迁的带隙，因

19、此在光激直接跃迁的带隙，因此在光激发下电子容易跃迁引起发光发下电子容易跃迁引起发光303、纳米粒子发光蝴蝶翅膀的色彩、纳米粒子发光蝴蝶翅膀的色彩30产生原因：产生原因：半导体具有半导体具有31Fe(OH)3胶体丁达尔效应示意图丁达尔效应示意图光源光源凸透镜凸透镜光锥光锥3131Fe(OH)3胶体丁达尔效应示意图光源凸透镜光锥胶体丁达尔效应示意图光源凸透镜光锥3132优点优点1.增加活性成分吸收率、使产品增加活性成分吸收率、使产品更好吸收、效果发挥更快更好吸收、效果发挥更快2.使活性成分更精确的到达皮肤使活性成分更精确的到达皮肤深层发挥作用深层发挥作用3.大大降低刺激性及过敏发生机大大降低刺激性

20、及过敏发生机会会4.较少的剂量就可以达到更高效较少的剂量就可以达到更高效率效果率效果小体积效应引发的商机小体积效应引发的商机护肤品护肤品3232优点小体积效应引发的商机优点小体积效应引发的商机32331 1、纳米颗粒的熔点、纳米颗粒的熔点 物质熔点下降物质熔点下降金纳米微粒的粒径与熔点的关系金纳米微粒的粒径与熔点的关系2.2 2.2 热学性能热学性能33331、纳米颗粒的熔点、纳米颗粒的熔点物质熔点下降金纳米微粒的粒径与物质熔点下降金纳米微粒的粒径与34物质熔点下降的程度：物质熔点下降的程度：T：块状物质熔点：块状物质熔点(T0)与纳米颗粒熔点与纳米颗粒熔点(T)之差；之差；SL：为固液界面张

21、力；：为固液界面张力；：密度；：密度；H为熔化热；为熔化热；r为颗粒粒径。为颗粒粒径。纳米颗粒熔点下降的原因：纳米颗粒熔点下降的原因：熔化时所需增加的内能小得多，这使得纳米颗粒熔点熔化时所需增加的内能小得多，这使得纳米颗粒熔点急剧下降。急剧下降。34物质熔点下降的程度：物质熔点下降的程度：T：块状物质熔点：块状物质熔点(T0)与纳米颗粒与纳米颗粒352、纳米颗粒的蒸汽压、纳米颗粒的蒸汽压上升上升式中：式中：P、P0：分别为纳米颗粒和块状物质的蒸汽压；：分别为纳米颗粒和块状物质的蒸汽压；M：摩尔质量；：摩尔质量；R：为气体常数；：为气体常数；T：为绝对温度：为绝对温度35352、纳米颗粒的蒸汽压

22、、纳米颗粒的蒸汽压上升式中：上升式中：35363、纳米颗粒的烧结温度、纳米颗粒的烧结温度降低降低原因：原因：界面具有高能量，在烧结中高的界面能成为原子界面具有高能量，在烧结中高的界面能成为原子运动的驱动力运动的驱动力36363、纳米颗粒的烧结温度、纳米颗粒的烧结温度降低降低原因：原因：374、纳米颗粒的结晶温度、纳米颗粒的结晶温度降低降低纳米颗粒开始长大的温度随粒径的减小而降低，纳米颗粒开始长大的温度随粒径的减小而降低，即非晶纳米颗粒的晶化温度降低。即非晶纳米颗粒的晶化温度降低。纳米颗粒的熔点、开始烧结温度和晶化温度均随纳米颗粒的熔点、开始烧结温度和晶化温度均随粒径的减少而有较大幅度的降低，而

23、蒸汽压则有粒径的减少而有较大幅度的降低，而蒸汽压则有较大幅度的升高。较大幅度的升高。37374、纳米颗粒的结晶温度、纳米颗粒的结晶温度降低降低纳纳38纳米颗粒的小尺寸效应、量子尺寸效应和表面效应等使得纳米颗粒的小尺寸效应、量子尺寸效应和表面效应等使得它具有常规固体材料所不具备的磁特性超微颗粒的磁特性它具有常规固体材料所不具备的磁特性超微颗粒的磁特性可以归纳如下：可以归纳如下：1.超顺磁性超顺磁性2.高矫顽力高矫顽力3.居里温度居里温度下降下降4.比磁化率比磁化率2.3磁学性能磁学性能参考书：参考书：纳米材料和纳米结构纳米材料和纳米结构/张立德张立德,牟季美著牟季美著科学出版社科学出版社2001

24、3838纳米颗粒的小尺寸效应、量子尺寸效应和表面效应等使得纳米颗粒的小尺寸效应、量子尺寸效应和表面效应等使得2.3391）矫顽力矫顽力纳米颗粒尺寸高于超顺磁临界尺寸纳米颗粒尺寸高于超顺磁临界尺寸时通常呈现高的矫顽力时通常呈现高的矫顽力HC使已被磁化后的铁磁体的磁感应强度降为零所必使已被磁化后的铁磁体的磁感应强度降为零所必须施加的磁场强度须施加的磁场强度39391）矫顽力矫顽力纳米颗粒尺寸高于超顺磁临界尺寸纳米颗粒尺寸高于超顺磁临界尺寸39402）超顺磁性）超顺磁性当颗粒尺寸小到一定临界值时，物质的磁化率随着当颗粒尺寸小到一定临界值时，物质的磁化率随着温度的变化不会发生突变，即进入一种超顺磁状态

25、温度的变化不会发生突变，即进入一种超顺磁状态特点是：纳米颗粒的磁化率特点是：纳米颗粒的磁化率不再服从居里一外斯定律，不再服从居里一外斯定律，在在居里点附近没有明显的突变值。居里点附近没有明显的突变值。C为居里常数；为居里常数；TC为居里温度为居里温度（铁电体从铁电相转变成顺（铁电体从铁电相转变成顺电相引的相变温度）电相引的相变温度）40402）超顺磁性）超顺磁性 4041【例例】纳米微粒的其它磁特性纳米微粒的其它磁特性纳米金属纳米金属Fe（5nm）饱和磁化强度比常规）饱和磁化强度比常规Fe低低40，其比饱和磁化强度随粒径的减小而下降其比饱和磁化强度随粒径的减小而下降单晶单晶FeF2由顺磁转变为

26、反铁磁的奈耳温度范围很窄，只有由顺磁转变为反铁磁的奈耳温度范围很窄，只有2K，而纳米，而纳米FeF2（10nm）在）在7888K由顺磁转变为反由顺磁转变为反铁磁，即有一个宽达铁磁，即有一个宽达12K的奈耳温度范围；的奈耳温度范围；1988年日本发现纳米合金年日本发现纳米合金FeSiBiCu（2050nm）具有好的软磁性能，可用作高频转换器，其芯耗低至具有好的软磁性能，可用作高频转换器，其芯耗低至200mWcm3，有效磁导率高于，有效磁导率高于108。当晶粒度大于。当晶粒度大于100nm时，上述软磁性能消失。时，上述软磁性能消失。Sb通常为抗磁性，其通常为抗磁性，其0，但纳米微晶的，但纳米微晶的

27、0，表现出顺，表现出顺磁性磁性4141【例】纳米微粒的其它磁特性【例】纳米微粒的其它磁特性4142生物导航能力的秘密生物导航能力的秘密海龟迁徙海龟迁徙蜜蜂飞行蜜蜂飞行磁感细菌磁感细菌4242生物导航能力的秘密海龟迁徙生物导航能力的秘密海龟迁徙4243纳米陶瓷纳米陶瓷纳米铜纳米铜2.4力学性能力学性能超塑延展性超塑延展性4343纳米陶瓷纳米铜纳米陶瓷纳米铜2.4力学性能力学性能超塑延展性超塑延展性4344当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近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能级变为离散能级的现象和的电子能级由准连续能级变为离散能级的现象和纳米半导体微粒存在不连续的

28、最高被占据轨道和纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据轨道和最低被占据的分子轨道能级，能隙变宽的现象最低被占据的分子轨道能级，能隙变宽的现象44三、量子尺寸效应三、量子尺寸效应44当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近44三、量子尺三、量子尺451.原子中电子的能级原子中电子的能级量子化：量子力学中，某一物理量的变化不是连续量子化：量子力学中，某一物理量的变化不是连续的，称为量子化。的，称为量子化。如：各种元素都具有自己特定的光谱线，如氢原子如：各种元素都具有自己特定的光谱线，如氢原子和钠原子分立的光谱线。和钠原子分立的光谱线。45454546对于宏

29、观物体包含无限个原子对于宏观物体包含无限个原子(即导电电子数即导电电子数N)。久保公式久保公式：能级间距能级间距0，费米能级，费米能级(EF)大粒子或宏观物体能级间距几乎为零大粒子或宏观物体能级间距几乎为零-以能带形以能带形式存在式存在462.2.电子能级的不连续性电子能级的不连续性-久保理论久保理论46对于宏观物体包含无限个原子对于宏观物体包含无限个原子(即导电电子数即导电电子数N)。462473.纳米微粒的纳米微粒的能级分裂能级分裂纳米微粒所包含原子数有限，纳米微粒所包含原子数有限，N值很小，导致能级值很小，导致能级间距间距有一定的值，随着有一定的值，随着N的减小，能级间距的减小，能级间距

30、变大，变大，即即能级发生分裂能级发生分裂。当能级间距大于热能当能级间距大于热能kBT、静磁能、静磁能0BH、静电能、静电能edE、光子能量、光子能量hv或超导态的凝聚能时，必须要或超导态的凝聚能时，必须要考虑量子尺寸效应，这会导致纳米微粒磁、光、考虑量子尺寸效应，这会导致纳米微粒磁、光、声、热、电以及超导电性与宏观特性有着显著的声、热、电以及超导电性与宏观特性有着显著的不同。不同。47473.纳米微粒的能级分裂纳米微粒的能级分裂47484.费米能级费米能级费米费米-荻拉克分布函数荻拉克分布函数48能级间隔增大，费米能级附能级间隔增大，费米能级附近的电子移动困难，从而使近的电子移动困难，从而使能

31、隙变宽，金属导体将变为能隙变宽，金属导体将变为绝缘体。绝缘体。484.费米能级费米费米能级费米-荻拉克分布函数荻拉克分布函数48能级间隔增大，费米能级间隔增大，费米4949说明：说明：金金属属费费米米能能级级附附近近电电子子能能级级一一般般是是连连续续的的，这一点只有在高温或宏观尺寸情况下才成立。这一点只有在高温或宏观尺寸情况下才成立。对对于于只只有有有有限限个个导导电电电电子子的的超超微微粒粒子子来来说说，低温下能级是离散的。低温下能级是离散的。4949说明：说明：50【例例】：Ag微微粒粒为为例例计计算算在在1K时时出出现现量量子子尺尺寸寸效效应应(导导体体绝绝缘缘体体)的的临临界界粒粒径

32、径d0，Ag的的电电子子密密度度：n=6x1022/cm3，h为为普普朗朗克克常常数数，6.6310-34Js，m为为电电子子的静止质量，的静止质量，9.10810-31kg，由久保公式：，由久保公式：已知：已知：得到（得到（F费米能级）费米能级）/kB=(1.45x10-18)/V(Kcm3)5050【例】：【例】：Ag微粒为例计算在微粒为例计算在1K时出现量子尺寸效应时出现量子尺寸效应(导体导体51如果取如果取/kB=1K，微粒直径为，微粒直径为d，代入上式，求得，代入上式，求得d014nm。根据久保理论，只有根据久保理论，只有kBT(热运动能热运动能)时才会产生能时才会产生能级分裂，从而

33、出现量子尺寸效应，即级分裂，从而出现量子尺寸效应，即 /kB=(1.45x10-18)/V15151如果取如果取/kB=1K，微粒直径为，微粒直径为d，代入上式，求得，代入上式，求得5152由由此此得得出出，1K时时，当当粒粒径径do14nm，Ag纳纳米米微微粒粒可可以以由由导导体体变变为为绝绝缘缘体体，如如果果温温度度高高于于1K，则则要求要求do14nm才有可能变为绝缘体。才有可能变为绝缘体。实实验验表表明明，纳纳米米Ag的的确确具具有有很很高高的的电电阻阻，类类似似于于绝绝缘缘体体，这这就就是是说说，纳纳米米Ag满满足足上上述述两两个个条条件件。随随着着尺尺度度的的降降低低，准准连连续续

34、能能带带消消失失，在在量量子子点点出出现完全分离的能级。现完全分离的能级。5252由此得出，由此得出，1K时，当粒径时，当粒径do14nm，Ag纳米微粒可纳米微粒可53晶体中大量的原子集合在一起，而且原子之间距离很近，晶体中大量的原子集合在一起，而且原子之间距离很近，致使离原子核较远的壳层发生交叠，这种现象称为致使离原子核较远的壳层发生交叠，这种现象称为电子的电子的共有化共有化。本来处于同一能量状态的电子产生微小的能量差异，与此本来处于同一能量状态的电子产生微小的能量差异，与此相对应的能级扩展为能带相对应的能级扩展为能带535.能带理论能带理论53晶体中大量的原子集合在一起，而且原子之间距离很

35、近，致使离晶体中大量的原子集合在一起，而且原子之间距离很近，致使离54*禁带禁带（ForbiddenBand）：允许被电子占据的）：允许被电子占据的能带称为允许带，允许带之间的范围是不允许能带称为允许带，允许带之间的范围是不允许电子占据的，此范围称为禁带。电子占据的，此范围称为禁带。被电子占满的允许带称为被电子占满的允许带称为满带满带，每一个能级上，每一个能级上都没有电子的能带称为都没有电子的能带称为空带空带5454*禁带（禁带（ForbiddenBand）：允许被电子占据的）：允许被电子占据的5555价带价带（ValenceBand）：原子中最外层的电子称）：原子中最外层的电子称为价电子，与

36、价电带。为价电子，与价电带。导带导带（ConductionBand）：价带以上能量最低）：价带以上能量最低的允许带称为导带。的允许带称为导带。导带的底能级表示为导带的底能级表示为Ec，价带的顶能级表示为，价带的顶能级表示为Ev，Ec与与Ev之间的能量间隔为之间的能量间隔为禁带禁带Eg5555价带（价带（ValenceBand）：原子中最外层的电子）：原子中最外层的电子56半导体和金属的原子、微粒和块体的能带结构。半导体和金属的原子、微粒和块体的能带结构。在半导体中，费米能级位于导带和价带之间，带边决定了低能光在半导体中，费米能级位于导带和价带之间，带边决定了低能光电性质，带隙光激发强烈依赖于粒

37、子的尺寸；而在金属里，费米电性质，带隙光激发强烈依赖于粒子的尺寸；而在金属里，费米能级位于导带的中心，导带的一半被占据能级位于导带的中心，导带的一半被占据(图中黑色部分图中黑色部分)。金属。金属超细微粒费米面附近的电子能级变为分立的能级，出现能隙。超细微粒费米面附近的电子能级变为分立的能级，出现能隙。5656半导体和金属的原子、微粒和块体的能带结构。半导体和金属的原子、微粒和块体的能带结构。5657四、宏观量子隧道效应四、宏观量子隧道效应隧道效应隧道效应：微观粒子具有贯穿势垒的能力。：微观粒子具有贯穿势垒的能力。宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应：颗粒的一些宏观物理量，如微：颗粒的一些宏观物理量

38、，如微磁化强度，量子相干器件中的磁通量等亦具有隧磁化强度，量子相干器件中的磁通量等亦具有隧道效应，称其为宏观量子隧道效应。道效应，称其为宏观量子隧道效应。5757四、宏观量子隧道效应四、宏观量子隧道效应隧道效应：微观粒子具有贯穿势垒的能隧道效应：微观粒子具有贯穿势垒的能思考题思考题1.简述纳米材料的基本物理性能？简述纳米材料的基本物理性能？2.表面效应的概念及其成因？表面效应的概念及其成因？3.举例说明小体积效应的应用。举例说明小体积效应的应用。4.纳米材料的线性光学性质主要有哪些？纳米材料的线性光学性质主要有哪些？58思考题简述纳米材料的基本物理性能？思考题简述纳米材料的基本物理性能？585

39、9五、五、纳米颗粒的化学特性纳米颗粒的化学特性1.表面活性及敏感性表面活性及敏感性固体火箭的燃料、催化剂固体火箭的燃料、催化剂；利用表面活性，金属超微颗粒可望成为新一代的利用表面活性，金属超微颗粒可望成为新一代的高效催化高效催化剂和贮气材料以及低熔点材料；剂和贮气材料以及低熔点材料；各种传感器各种传感器5959五、五、纳米颗粒的化学特性纳米颗粒的化学特性1.表面活性及敏感性表面活性及敏感性固体火箭固体火箭60催化剂吸附反应物的能力强；催化剂吸附反应物的能力强；光谱迁移性；光谱迁移性；扩散时间短扩散时间短2.催化性能催化性能光触媒光触媒60催化剂吸附反应物的能力强；催化剂吸附反应物的能力强；2.

40、催化性能光触媒催化性能光触媒61尺寸大小尺寸大小主要作用力主要作用力cm重力、摩擦力重力、摩擦力mm重力、摩擦力、静电力重力、摩擦力、静电力m范德华力、布朗运动、静电力范德华力、布朗运动、静电力nm范德华力、布朗运动、静电力、范德华力、布朗运动、静电力、量子力学量子力学六、六、纳米颗粒的作用力纳米颗粒的作用力6161尺寸大小主要作用力尺寸大小主要作用力cm重力、摩擦力重力、摩擦力mm重力、摩擦力、静电重力、摩擦力、静电62足底有足底有650万根细毛万根细毛(tinyhairs)，每根细毛分成数百根，每根细毛分成数百根的的tips（直径（直径200nm)一根细一根细毛可支撐毛可支撐20mg重量，

41、一百万重量，一百万根可举起根可举起20公斤重量公斤重量壁虎神功壁虎神功6262足底有足底有650万根细毛万根细毛(tinyhairs)，每根细毛分，每根细毛分“电子技术的发展在电子技术的发展在20世纪世纪改变了人类的生活方式，改变了人类的生活方式，现代信息技术对人们的生现代信息技术对人们的生活影响巨大，而纳米技活影响巨大，而纳米技术将在术将在21世纪极大地影响世纪极大地影响人类的生活，而且其影响人类的生活，而且其影响力将大大高于计算机技术对我们的影响，这将会是力将大大高于计算机技术对我们的影响，这将会是一种让人意想不到的效果。一种让人意想不到的效果。”七、七、纳米颗粒的应用纳米颗粒的应用对生活的影响对生活的影响白春礼院士白春礼院士63“电子技术的发展在电子技术的发展在20世纪七、世纪七、纳米颗粒的应用纳米颗粒的应用对生活的影对生活的影64646464656565656666666667汽車汽車FuelCell(Nanojet,触媒触媒)FuelTank(减少减少HC排放排放)NanoPorousFilter(减少减少Particle排放排放)保险杠保险杠脚踏垫脚踏垫减轻车重减轻车重电池隔离膜电池隔离膜移动电话移动电话6767汽車汽車6768电子书电子书电脑电脑资讯储存资讯储存6868电子书电子书6869696969