材料物理课件5纳米材料与纳米效应-PPT课件

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二、 纳米材料的制备方法（3）
3、固相制备法 固体材料在不发生熔化、气化的情况下使 原始晶体细化或反应生成纳米晶体的过程。 机械研磨法（Mechanical Milling） 固相反应法（Solid Reaction） 大塑性变形法（Severe Plastic Deformation）
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4、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。
近来，人们发现一些宏观量，例如微颗粒的磁 化强度，量子相干器件中的磁通量等也具有隧道效 应，称为宏观的量子隧道效应。 宏观量子隧道效应无论在基础研究还是实际应 用方面都有着非常重要的意义，它限定了磁带、磁 盘进行信息储存的时间及空间极限。
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二、 纳米材料的制备方法（1）
1、气相制备法
将高温的蒸气在冷阱中冷凝或在衬底上 沉积和生长出低维纳米材料的方法。
采用气相法可合成纳米粉体、纳米丝和 生长出超晶格薄膜和量子点等。 物理气相沉积法（PVD） 化学气相沉积法（CVD）
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二、 纳米材料的制备方法（2）
纳米晶Cu的自由能随晶 粒尺寸D和温度的变化
（当尺寸D小于1.4nm时， 4 nc Cu的G大于非晶态Cu 的 G而不能维持晶态）
2、量子效应（1）
小尺寸系统的量子效应，是指电子的能量被量子化，形成 分立的电子态能级，电子在该系统中的运动受到约束。 随着金属粒子尺寸的减小，金属费米能级附近的电子能级 由准连续变为离散能级的现象，以及半导体微粒存在不连续 的最高被占据分子轨道和最低未被占据分子轨道，能隙变宽 的现象，均称为量kBT为热能。
当微粒的能隙大于电子的kB时，热运动不能使电子跃过能隙， 电子的状态受到限制，表现出量子效应。对于金属材料，由于 费米面附近的能隙很小，只有当其颗粒非常小时才会产生明显 的量子效应。 对于半导体材料，出现量子效应的尺寸要比金属粒子的尺 寸大得多，其量子效应主要表现为导带与价带间的带隙变宽且 出现能级分离。
一、纳米材料的基本效应
1、尺寸效应
当纳米材料的组成相的尺寸（如晶粒的尺寸、第二相的尺 寸）减小时，纳米材料的性能将发生明显的变化或突变。 纳米材料具有尺寸效应的基础是量子效应和表面（或界 面）效应。
Ni3Al合金的流变应力与沉 淀粒子Ni3Al尺寸的关系
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纳米ZnO光致发光谱 （随着ZnO尺寸的减小 光致发光强度随激发光 的波长减小而增加）
非晶晶化法（Crystallization of Amorphous Materials） 表面纳米化法（Surface Nanocrystallization）
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二、 纳米材料的制备方法（4）
4、自组装、模板合成和纳米印刷
纳米材料和结构的自组装、模板合成和纳米印刷技 术，是纳米技术的热点和前沿研究课题，它集合了物理 学、化学、生物学和材料科学的许多重要的研究成果。
自组装（Self-Assembly） 纳米材料的自组装，是在合适的物理、化学条件 下，原子团、大分子、纳米丝或纳米晶体等结构单元， 通过氢键、范德华力、静电力等非共价键的相互作用， 亲水-疏水相互作用等自发地形成具有纳米结构材料 的过程。 自组装的过程无外来因素的影响
金属和半导体的原子、 单个粒子及块体的电子 能级示意图
a）金属 b）半导体
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2、量子效应（2） 久保（Kubo）公式： 1）从一个超细粒子中取走或放入一个电子都 是十分困难的。因此超细微粒保持电中性。
从一个超细粒子中取走或放入一个电子需要克服库 仑力所作的功W为：
随着d值的下降，W值增加，所以低温下热涨落很 难改变超微粒子的电中性。
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3、界面效应
由于纳米粒子的尺寸越小，位于表面的原子所占的比例也 越大，表面效应越显著。
粒子表面原子所占比例与 粒子直径的关系
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Bcc和fcc合金的晶界体积 分数与晶粒直径的关系
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3、界面效应（2） 纳米粒子表面及表面原子的特点：
1）具有大量未被原子占据的位置或空间。 2）具有低的配位数和密度。 3）大的原子均方间距。 4）存在三叉晶界（也称旋错 Disclination）。 由于表面原子数增多，原子配位不足及高的表 面能，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。例如金属纳米粒子在空气 中会燃烧，无机纳米粒子暴露在空气中会吸附气体， 并与气体进行反应。
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2、量子效应（3）
久保（Kubo）公式：
2）相邻电子能级间隙Eg和微粒直径d之间的关系：
其中N为一个超细粒子的总导电电子数，V为粒子的 体积，EF为费米能级。
如果假定粒子为球形，则：
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2、量子效应（4）
对比两个公式，可知随着粒子直径的减小，Eg比W增大 要快两个数量级。 因此，当粒子直径减小到某一临界值时， Eg要大于W， 即：
2、液相合成法 先将所需组分溶解在液体中形成均相溶 液，然后通过反应沉淀得到所需组分的前驱 物，再经过热分解得到所需物质。
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沉淀法（Precipitation） 微乳液法（Micro-emulsion） 溶胶-凝胶法（Sol-gel method） 电解沉积法（Electrodeposition） 水解法（Hydrolyzation） 溶剂蒸发法（Solvent Evaporation）
纳米材料及纳米科技的发展
20世纪80年代
研究手段：扫描隧道显微镜（STM） 原子力显微镜 （AFM）
用STM针尖搬动48 个Fe原子组成的量子栅 栏
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Co原子在Cu（111） 面上组成的人工点阵
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由C60组成的“纳米算盘” （每个C60珠子可由STM针尖移动代表1-10）
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5 纳米材料与纳米效应
1. 纳米材料的定义: 任何至少有一个维度的尺寸介于1nm至 100nm之间的基本单元组成的材料称为纳米材料。 具有尺寸在1nm至100nm之间的纳米结构的 材料也可广义地称之为纳米材料。
纳米颗粒 纳米线 纳米薄膜
具有纳米厚度的钝化膜的普通金属 “纳米塑料”
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