第二章纳米材料基本效应PPT课件

当粒径为10nm时，表面原子数为完整晶粒原子总 数的20％；而粒径降到1nm时，表面原子数比例达到 约90%以上，原子几乎全部集中到纳米粒子的表面
纳米微粒的表面原子数增多，比表面积大， 原子配位不足，表面原子的配位不饱和导 致大量的悬空键和不饱和键，表面能高， 使这些表面原子具有高的活性，极不稳定， 很容易与其他原子结合
特殊的光学性
黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，即 失去了原有的富贵光泽而呈黑色。事实上，所 有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸 越小，颜色愈黑，银白色的铂（白金）变成铂 黑，金属铬变成铬黑。金属超微颗粒对光的反 射率很低，通常可低于l％，大约几微米的厚度 就能完全消光
利用这个特性可以作为高效率的光热、光 电等转换材料，可以高效率地将太阳能转变为 热能、电能
美国学者报道氟化钙纳米材料在室温下可以大幅度弯 曲而不断裂。研究表明，人的牙齿之所以具有很高的 强度，是因为它是由磷酸钙等纳米材料构成的。呈纳 米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬3～5倍
三、量子尺寸效应
能带理论表明，金属费米能级附近电子能级一 般是连续的，这一点只有在高温或宏观尺寸情 况下才成立

小尺寸效应

表面效应


量子尺寸效应

宏观量子隧道效应
一、表面效应
表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子 数之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的性 质上的变化
纳米微粒尺寸小，表面能高，位于表面的原子 占相当大的比例。随着粒径减小，表面原子百 分数迅速增加
图3-1 表面原子数与粒径的关系
小尺寸的超微颗粒磁性与大块材料显著的不同，大块的纯 铁矫顽力约为 80安／米，而当颗粒尺寸减小到 2×10-2微 米以下时，其矫顽力可增加1千倍，若进一步减小其尺寸， 大约小于 6 × 10-3微米时，其矫顽力反而降低到零，呈现 出超顺磁性

Bs/Ms饱和磁化强度或最大磁感应强度或 饱和磁通密度——饱和极化强度 Hc:矫顽磁场强度，矫顽力 Br剩余磁化强度或剩余磁通密度
磁滞回线
2.3. 表面效应 • 固体材料的表面原子与内部原子所处的环境 是不同的。当材料粒径远大于原子直径时， 表面原子可以忽略；但当粒径逐渐接近于原 子直径时，表面原子的数目及其作用就不能 忽略，而且这时晶粒的表面积、表面能和表 面结合能等都发生了很大的变化，人们把由 此而引起的种种特异效应通称为表面效应。
• 量子尺寸效应是指当纳米粒子的尺寸下降到 某一值时，金属粒子费米面附近电子能级由 准连续变为离散能级的；即可看作由连续能 级变成不连续能级的现象称为纳米材料的量 子尺寸效应。
E(r)=Eg(r ∞)+h2π2/2μr2-1.786e2/εr-0.248ERy ε为介电常数, ERy为有效里德堡常数。 E为能隙，单位为eV。onset=1240/Eg
μ =[1/me-+1/mh+],
L.E. Brus, and Y. Wang.
纳米材料中电子能级分布显著地不同于大块晶体材料中的电 子能级分布。 在大块晶体中，电子能级准连续分布，形成一个个的晶体能 带。金属晶体中电子填满整个导带，在热扰动下，金属晶体中 的电子可以在导带各能级中较自由地运动，因而金属晶体表现 为良好的导电及导热性。 在纳米材料中，由于至少存在一个维度为纳米尺寸，在这一 维度中，电子相当于被限制在一个无限深的势阱中，电子能级 由准连续分布能级转变为分立的束缚态能级。 能级间距δ决定了金属纳米材料是否表现出不同于大块材料的 物理性质。当离散的能级间距δ大于热能、静电能、静磁能、光 子能量或超导态的凝聚能时，将导致金属纳米微粒的热、电、 磁、光以及超导电性与宏观物体有显著的不同，呈现出一系列 的反常特性，此即为金属纳米微粒的量子尺寸效应。

Some Novel Properties of Nanomaterialsz zChapter 2Effects and Properties of NanomaterialsOpaque substances become transparent (copper); Stable materials turn combustible (aluminum); Insoluble materials become soluble (gold). A material such as gold, which is chemically inert at normal scales, can serve as a potent (有力的，有效 的）chemical catalyst at nanoscales.z zEffects and Properties of NanomaterialsWhy materials at nanoscale have different properties?EngineerednanomaterialsarematerialsIncreased relative surface areaNanomaterials have a much greater surface area to volume ratio than their conventional forms, which can lead to greater chemical reactivity and affect their strength.designed at the molecular (nanometer) level to take advantage of their small size and novel properties which are generally not seen in their conventional, bulk counterparts.Quantum effectsAt nanoscale, quantum effects can become much more important in determining the materials properties and characteristics, leading to novel optical, electrical and magnetic behaviors.1. 表面效应 (surface area effect)表面原子数相对总原子数Surface area effect100 80球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的 立方成正比，故其比表面积（表面积／体积）与直径成反 比。

3、表面效应
表面效应
表面相对全部原子数的比例/%
100 80 60 40 20 0
表1.3 纳米微粒尺寸与表面原子数的关系 纳米微粒尺寸/nm 包含总原子数 表面原子所占比例 /% 10 4 2 1 30000 4000 250 30 20 40 80 99
0
10
20
30
40
粒度/nm
球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径 的立方成正比，故其比表面积（表面积／体积）与直径成反 比。 随着颗粒直径变小，比表面积将会显著增大，说明表面 原子所占的百分数将会显著地增加，并具有较大的表面能。
纳米材料学基础
（第二章）
本章内容
1 2 3 4 5 6
量子尺寸效应
小尺寸效应
表面效应
库伦阻塞效应
量子隧穿效应
宏观量子隧道效应
1、量子尺寸效应
量子尺寸效应
上一章已经介绍了纳米材料的量子尺寸效应，这里加深理 解一下量子尺寸效应 因纳米材料的尺寸很小，其电子能级由准连续变成离散状 态（分立状态），能级之间的距离δ增大，电子的运动受 到能级间距δ的限制 能级间距δ决定了金属材料的许多物理性质不同于常规的 块状材料，例如：粒径<20nm的Ag颗粒在1K温度下，变 成绝缘体
表面效应
表面原子近邻配位不饱和，这些原子极不稳定具有高活性， 倾向于形成高配位环境。这些原子一旦遇其他原子，很 快结合，使其稳定化，这就是活性的原因，这种表面原子 的活性会引起纳米粒子表面原子输运和构型的变化。
A B
D C E
思考：直径较小的纳米粒子多为球形，为什么？
4、库伦阻塞效应
库伦阻塞效应
量子尺寸效应
对任何材料，都存在一个临界尺寸，小于该尺寸，颗粒将 表现出量子尺寸效应 如：含有偶数电子的颗粒具有抗磁性，含有奇数电子的颗 粒具有顺磁性 对于金属纳米颗粒，其电子数不易改变，因为增加或减少 一个电子所做的功，比室温下的热扰动能值（kBT）要大 因此当改变纳米颗粒所含的电子数时，其物性将发生改变， 如光谱线的频移、催化活性的改变等等