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1、第1章納米科技與納米材料1.概述1.1納米科技里程碑研究手段：掃描隧道顯微鏡（STM）STM是80年代初發(fā)展的新型顯微儀器，可達(dá)原子級(jí)的超高分辨率STM觀察物質(zhì)表面結(jié)構(gòu)，可得到極其細(xì)微的納米尺度（10-9m）,是對(duì)物質(zhì)表妞進(jìn)行精細(xì)加工的重要工具STM基本原理是基于量子隧道效應(yīng)和掃描：①一個(gè)極細(xì)針尖（頭部為單個(gè)原子）去接近樣品表而，當(dāng)針尖和表而距離＜lnm，針尖頭部原子和樣品表面原子的電子云發(fā)生重迭，若在針尖和樣品之間施加一個(gè)偏壓電子便會(huì)通過針尖和樣品構(gòu)成的勢(shì)壘而形成隧道電流②通過控制針尖與樣品表面間距恒定，使針尖沿表面進(jìn)行精確三維移動(dòng)（掃描），就可以
2、把表面的信息（表面形貌和表面電子態(tài)）記錄1.2納米技術(shù)與納米材料內(nèi)涵納米科技：是90年代初迅速發(fā)展的全新前沿科研領(lǐng)域。它是指在1-lOOnm尺度空內(nèi)，研究電子、原子、分子運(yùn)動(dòng)規(guī)律、特性的高新科技。目標(biāo)是直接自由操縱單個(gè)原子、分子，制造出特定功能產(chǎn)品。納米材料：由納米粒子構(gòu)成。粒子尺寸1?lOOrnn，是原子簇和宏觀物體交界的過渡區(qū)域（介觀）該系統(tǒng)既非典型微觀亦非典型宏觀，是一種典型介觀系統(tǒng)，它具有獨(dú)特效應(yīng)。宏觀物體細(xì)分成納米級(jí)后，它將顯示許多奇異的特性，如光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)、化學(xué)等性質(zhì)，與塊體材料具有顯著的不同1.3納米材料特性1）表面效應(yīng)
3、：球形顆粒的比表面積（表面積/體積）與直徑成反比。隨著顆粒直徑的變小，比表面積將會(huì)顯著地增加，顆粒表面原子數(shù)相對(duì)增多，從而使這些表面原子具有很髙的活性且極不穩(wěn)定，致使顆粒表現(xiàn)出不一樣的特性，這就是表面效應(yīng)。納米顆粒的表面與塊體的表面十分不同：高倍電子顯微鏡對(duì)金顆粒（直徑為2nm）進(jìn)行攝像時(shí)，發(fā)現(xiàn)這些顆粒沒有固定的形態(tài)，隨著時(shí)間的變化會(huì)自動(dòng)形成各種形狀它不同于一般固體，又不同于液體，是準(zhǔn)固體。在電鏡的電子束照射下，表而原子仿佛進(jìn)入了“沸騰”狀態(tài)，尺寸大于10納米后才看不到這種顆粒結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性2）小尺寸效應(yīng)：尺寸變小，在一定條件下會(huì)引起顆粒性質(zhì)的質(zhì)變。
4、由顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質(zhì)的變化稱為小尺寸效應(yīng)。小尺寸效應(yīng)將導(dǎo)致一系列新奇的性質(zhì)變化：（1）特殊的光學(xué)性質(zhì)：任何金屬顆粒，當(dāng)其尺小在納米量級(jí)時(shí)大都呈現(xiàn)黑色。金屬納米顆粒對(duì)光的反射率很低，可低于1%，約兒微米厚度就完全消光利用該特性可作高效的光熱、光電等轉(zhuǎn)換材料，可高效地將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?、電能。?）特殊的熱學(xué)性質(zhì)：納米化后金屬熔點(diǎn)顯著降低（3）特殊的磁學(xué)性質(zhì)：磁顆粒小到20nm以下，其矯頑力增加1千倍，小于6mn,其矯頑力反而降低到0,呈超順磁性；利用商矯頑力特性，可作成商貯存密度的磁記錄粉，用于磁帶、磁盤、及磁鑰匙等。利用超順磁性，可制成
5、用途廣泛的磁性液體（4）特殊的力學(xué)性質(zhì)：納米陶瓷材料有良好韌性。因其人的界而，界而的原子排列相當(dāng)混亂，原子在外力變形下容易遷移，表現(xiàn)山一定韌性及延展性小尺、j?效應(yīng)還表現(xiàn)在超導(dǎo)電性、介電性能、聲學(xué)特性以及化學(xué)性能等方面3）量子尺寸效應(yīng)：微粒尺寸下降到一定值時(shí)，費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)由準(zhǔn)連續(xù)能級(jí)變?yōu)榉至⒛芗?jí)，吸收光譜闕值向短波方向移動(dòng)，稱為量子尺寸效應(yīng)4）宏觀量子隧道效應(yīng)隧道效應(yīng)：當(dāng)微觀粒子總能量小于勢(shì)壘高度時(shí)，該粒子仍能穿越這一勢(shì)壘。一些宏觀量如微粒的磁化強(qiáng)度、量子相干器件中的磁通量及電荷也有隧道效應(yīng)，其可穿越宏觀系統(tǒng)的勢(shì)阱而產(chǎn)生變化，即宏觀量子隧道
6、效應(yīng)無數(shù)原子構(gòu)成固體時(shí)，單獨(dú)原子的能級(jí)并合成能帶，因電子數(shù)目很多，能帶屮能級(jí)的間距很小，可看作連續(xù)，能級(jí)概念成功地解釋了大塊金屬、半導(dǎo)體、絕緣體之間聯(lián)系與區(qū)別。對(duì)納米顆粒，連續(xù)能帶分裂為分立能級(jí)；能級(jí)間的間距隨顆粒尺寸減小而增大。當(dāng)微粒的熱能、電場能或者磁場能比微粒的平均能級(jí)間距還小時(shí)，就會(huì)呈現(xiàn)一系列與宏觀物體不同的反常特性（量子效應(yīng)）。電子具有波粒二相性，存在隧道效應(yīng)。與量子效應(yīng)合稱宏觀的量子隧道效應(yīng)1.4一些常見納米材料納米效應(yīng)顏料納米效應(yīng)顏料具有隨角異色特性，深受配色專家喜愛納米防護(hù)材料某些納米材料透明性好和具有優(yōu)異的紫外線屏蔽作用。添加少量（
7、不超過2%）的納米材料，就會(huì)大大減弱紫外線對(duì)產(chǎn)品和材料的損傷作用，使之更加具有耐久性和透明性。被廣泛用于護(hù)膚品、裝飾材料、外用而漆、木器保護(hù)、天然和人造纖維、農(nóng)用塑料薄膜等方面納米陶瓷涂層納米材料可在低溫、低壓下生產(chǎn)質(zhì)地致密生能優(yōu)異的陶瓷。納米陶瓷組分可作為一種極薄的透明涂料，有防污、防塵、耐刮、耐磨、防火等多功能納米催化劑比表面積大、表面活性中心多，納米鉑黑、銀、氧化鋁和氧化鐵等用于高分子聚合物氧化、還原及合成反應(yīng)催化劑，可提《反應(yīng)效率。用納米鎳粉為火箭固體燃料反應(yīng)催化劑，燃燒效率提高100倍納米磁性材料納米磁性粒子屬單磁疇區(qū)結(jié)構(gòu)粒子，其磁化過程完
8、全由旋轉(zhuǎn)磁化進(jìn)行，可作永久性磁性材料。磁性納米粒具杳單磁疇結(jié)構(gòu)及矯頑力很高的特征，做磁C錄材料可提高信噪比，
