納米效應與納米材料制備.doc

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1、納米效應與納米材料制備—、納米效應1?小尺寸效應：在材料的尺寸小于光學波長后，材料的分子原子尺寸所具有的量子效應所占的比重增大，宏觀下具有的性質減少，德布羅意波、電子IH由程、超導臨界狀態(tài)耦合波長、界面等發(fā)生轉變。例如金屬的熔點在宏觀體積吋熔點兒乎不變，而當金屬尺寸接近納米尺寸時，熔點急劇降低，理論上的極限為當體積是原子大小吋，其熔點就為零。其它許多材料的性質也會在尺寸接近納米時發(fā)生轉變。2.量子尺寸效應：量子力學中微觀粒子符合費米-狄拉克分布或者波色-愛因斯坦分布，而原子周囤的電子符合費米分布，也即電子的占據(jù)狀態(tài)只有在費米能級處發(fā)生1到0的

2、轉變，而不是符合傳統(tǒng)的麥克斯韋分布。故材料接近納米尺寸時，具有量子效應，存在庫伯能隙與費米能級之間的關系8=4x^ocV-即費O/V米能級的大小與庫伯能隙成正比，與量子數(shù)成反比，與體積成反比。室溫下熱運動的能量量級為可kT,庫伯能隙6與kT之間滿足，5=0為宏觀金屬；6kT為熱運動激發(fā)不了自由電子的絕緣體。3.表面效應：原子的大小是處于0.lnm的量級，且相差不大的，在材料的尺寸接近nm時，根據(jù)數(shù)學計算可矢口叫/叫的比例會迅速增大。由于表而的原子配位數(shù)低，能量較高

3、，較活躍，易于反應。故納米材料的單體質量能量也升高，性質活潑、易反應、易團聚。4.宏觀量子隧道效應：是如電子等微觀粒子能夠穿過它們木來無法通過的“墻壁”的現(xiàn)象。這是因為根據(jù)量子力學，微觀粒子具有波的性質，而有不為零的概率穿過位勢障壁。在宏觀物體屮，由于尺寸較大，造成勢能的勢井較寬，量子穿過的概率非常小，兒乎可以理解為不能穿過。當尺寸縮小到納米級別吋，量子穿過的概率也就迅速增大，從而可以穿過勢井的量子數(shù)量比不可以被忽略，從而影響了整個納米材料的效應。5.熱效應：札I同溫度時，納米材料的熱容大于宏觀材料。材料尺寸接近納米時，滿足5=4x^ocy-

4、1,庫伯能隙增大，從而每一個外層電子具有的能量增3N大，從而激發(fā)同樣的電子數(shù)，所需要的能量升高。其實就是電子符合費米-狄拉克分布，只有外層處于費米能級的電子才能參與熱容的變化，而處于費米能級處的電子能量高于傳統(tǒng)的麥克斯韋分布參與熱容變化的所有電子的能量的平均，故可以容納更多的能量，從而相同溫度時，納米材料的熱容較大。6.磁效應：材料的磁性來自于電子的精密結構小電子的自旋。因為電子占據(jù)原子軌道符合泡利不相容原理，故當電子數(shù)成單時，價態(tài)電子存在成單電子，從而電子自旋導致的磁矩表現(xiàn)出磁性。宏觀的材料在沒有外加磁場進行充磁時，多為多疇的材料，隨著材料

5、尺寸的減小，依次可出現(xiàn)雙疇、單疇、超順磁性的材料。磁性矯頑力的大小滿足Hcocd-3,若粒子足夠小，磁矩由于熱擾動血沒有擇優(yōu)取向。7.電子效應：電子的傳遞一-般遵從兩種方式，間隙機制與空位機制。而當材料的尺寸達到納米級別吋，在某一橫截面上，其內(nèi)部的間隙或空位的數(shù)量接近于1,而電子傳遞只能從間隙或者空位經(jīng)過，故血電子傳遞會有規(guī)則的一?個i個輸送。2.光學效應：在材料尺寸接近納米吋，材料吸收的特征光譜會發(fā)生紅移和藍移。根據(jù)材料表而的張力滿足§=學，故表面原子的能量會升高，原子間距與能量成反比，原子間距減小。根據(jù)材料吸收電磁波時，滿足s=g時會發(fā)生

6、衍射，而此時會滿足布拉格定律2dsin0=nA,故當n>8取相同值時,docA,故外部的原子數(shù)量較多吋，吸收的波長偏小，發(fā)生藍移。而能不的原子能量低，原子間距較大，會發(fā)生紅移。二、納米材料的制備1物理方法1.1真空冷凝法：用真空蒸發(fā)、加熱、高頻感應等方法使原料氣化或形成等粒子體，然后驟冷。其特點純度高、結晶組織好、粒度可控，但技術設備要求高。1.2物理粉碎法：通過機械粉碎、電火花爆炸等方法得到納米粒子。其特點操作簡單、成本低，但產(chǎn)品純度低，顆粒分布不均勻。1?3機械球磨法：采用球磨方法，控制適當?shù)臈l件得到純元素、合金或復合材料的納米粒子。其特

7、點操作簡單、成本低，但產(chǎn)品純度低，顆粒分布不均勻。1.4加熱氣相沉積1.5等離子激發(fā)氣相沉積1.6激光消除沉積2化學方法2.1氣相沉積法：利用金屬化合物蒸氣的化學反應合成納米材料。其特點產(chǎn)品純度高，粒度分布窄。2.2高溫分解與熱沉積、分解反應、氧化反應、復分解反應、歧化反應、可逆反應。3液相合成方法3.1沉淀法：把沉淀劑加入到鹽溶液屮反應后，將沉淀熱處理得到納米材料。其特點簡單易行，但純度低，顆粒半徑大，適合制備氧化物。3.2水熱合成法：高溫高圧下在水溶液或蒸汽等流體屮合成，再經(jīng)分離和熱處理得納米粒子。其特點純度高，分散性好、粒度易控制。3.

8、3溶膠凝膠法：金屬化合物經(jīng)溶液、溶膠、凝膠而同化，再經(jīng)低溫熱處理而生成納米粒子。其特點反應物種多，產(chǎn)物顆粒均一，過程易控制，適于氧化物和II?VT族化合物的制備。3