03 第三章 纳米材料的能带理论及基本效应

简述纳米材料的基本物理效应1. 引言嘿，朋友们，今天咱们聊聊纳米材料，这可是一块神奇的“魔法砖”！说到纳米材料，可能有人会挠挠头，觉得它离我们生活很远，但其实，它们就像那些隐形的超人，默默地改变着我们的世界。

从手机到太阳能电池，从药物到化妆品，纳米材料无处不在。

要说它们有啥特别的，那就得从它们的基本物理效应聊起了。

2. 纳米效应的秘密2.1 量子效应首先，咱们得提到量子效应，这可是纳米世界的一大特色。

简单来说，纳米材料的尺寸小到离谱，通常只有一纳米到几百纳米之间。

这种小小的尺寸让材料的行为和大块头的物体大相径庭。

就好比你看见一个大象和一只蚂蚁走路的方式完全不同，纳米材料也有自己独特的“走路”方式。

比如，电子在这些小小的材料中运动时，不再遵循传统的物理规律，而是玩起了“躲猫猫”，形成了量子限制效应。

这使得纳米材料在光学、电子学上表现得特别出色。

2.2 表面效应再说说表面效应。

这就像是你买了一块超大披萨，切成小块后，每一小块的边缘都是你味蕾的狂欢。

纳米材料的表面积相对体积大得惊人，这意味着它们和周围环境的互动也变得更加活跃。

比如，纳米颗粒在催化反应中可以大显身手，因为它们的表面能和反应物“聊得特别来”，加速反应速度。

这种表面效应使得纳米材料在化学反应、药物输送等方面表现得尤为突出。

3. 热效应与光效应3.1 热效应说到热效应，这就有趣了。

纳米材料在吸热和散热方面的能力也是一绝，仿佛有自己的温度调控器。

有些纳米材料在加热时会表现出超导性，哎，听起来有点复杂，但简单来说，就是它们能让电流流动得像风一样顺畅，几乎没有阻力。

这让它们在电子产品和能源存储中成为了新宠儿，简直是科技界的小明星。

3.2 光效应接下来，咱们聊聊光效应。

纳米材料在光的操控上也是一把好手。

它们可以调节光的传播、吸收和反射，就像调音师调节乐器音色一样，能让光线变得绚丽多彩。

比如，某些纳米材料可以在特定波长的光下发光，甚至可以用在显示屏和激光器上，给我们的视觉享受增添了一抹绚丽的色彩。

纳米材料的四个基本效应转载▼纳米材料由纳米离子组成，纳米离子一般是指尺寸在1-100纳米之间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统也非典型的宏观系统，是一种典型人界观系统，它具有如下四方面效应，并由此派生出传统固体不具有的许多特殊性质。

1、表面效应粒子直径减少到纳米级，不仅引起表面原子数的迅速增加，而且纳米粒子的表面积、表面能都会迅速增加。

这主要是因为处于表面的原子数较多，表面原子的晶场环境和结合能与内部原子不同所引起的。

表面原子周围缺少相邻的原子，有许多悬空键，具有不饱和性质，易与其它原子相结合而稳定下来，故具有很大的化学活性，晶体微粒化伴有这种活性表面原子的增多，其表面能大大增加。

2、量子尺寸效应指纳米粒子尺寸下降到一定值时，费米能级附近的电子能级由连续能级变为分立能级的现象。

这一效应可使纳米粒子具有高的光学非线性、特异催化性和光催化性质等。

3、体积效应指纳米粒子的尺寸与传导电子的德布罗意波长相当或更小时，周期的边界条件将破坏，磁性、内压、光吸收、热阻、化学活性、催化性及熔点等都较普通粒子发生了很大的变化。

如光吸收显著增加并产生吸收峰的等粒子共振频移，由磁有序态向磁无序态，超导相向正常相转变等。

4、宏观量子隧道效应宏观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。

近年来，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以及电荷等亦具有隧道效应，他们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化，故称为宏观的量子隧道效应MQT （Macroscopic Quantum Tunneling）。

这一效应与量子尺寸效应一起，确定了微电子器件进一步微型化的极限，也限定了采用磁带磁盘进行信息储存的最短时间。

以上四种效应是纳米粒子与纳米固体的基本特性，它使纳米粒子和固体呈现许多奇异的物理性质、化学性质，出现一些反常现象，如金属为导体，但纳米金属微粒在低。

总表面积急 剧增大，比表面积相应的也急剧加大。
•如：把边长为1cm的立方体逐渐分割减小的立方 体，总表面积将明显增加。
边长
1 cm 10-5 cm (100 nm) 10-6 cm (10 nm) 10-7 cm (1 nm)
立方体数
1 1015 1018 1021
• 这样高的比表面，使处于表面的原子数越来越
多，同时表面能迅速增加。
5
• 2. 表面原子数的增加 • 由于粒子尺寸减小时，表面积增大，使处于表
面的原子数也急剧增加．
6
表面原子数占全部原子数的比例和粒径之间的关系
7
• 3．表面能 • 由于表层原子的状态与本体中不同。 • 表面原子配位不足，因而具有较高的表面能。 • 如果把一个原子或分子从内部移到界面，或者
17
18
19
2. 特殊的热学性质
固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的， 超细微化后却发现其熔点将显著降低，当颗粒小于10 纳米量级时尤为显著。
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。此外又有 可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等。
1991年春的海湾战争，美国执行空袭任务的F－117A型隐身战斗 机，其机身外表所包覆的红外与微波隐身材料中就包含有多种 纳米超微颗粒，它们对不同波段的电磁波有强烈的吸收能力， 以欺骗雷达，达到隐形目的。在海湾战争中使用了该项技术， 成功地实现了对伊拉克重要军事目标的打击。
每面面积
1 cm2 10-8 cm2 10-12 cm2 10-14 cm2
总表面 积
6 cm2 6×105cm2 6×106cm2 6×107cm2
4
• 随着粒径减小，表面原子数迅速增加。这是由 于粒径小，总表面积急剧变大所致。

将磁性超微颗粒制成用途广泛的磁性液体。
特殊的力学性质
• 陶瓷材料在通常情况下呈现脆性，然而由纳米超微颗粒压 制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性。
• 因为纳米材料具有大的界面。界面的原子排列是相当混乱 的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出甚 佳的韧性与一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力学性 质。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。
特殊的磁学性质
特殊的磁学性质
• 人们发现鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生 活在水中的趋磁细菌等生物体重存在超微 的磁性颗粒，使这类生物在地磁场导航下 能辨别方向，生活在水中的趋磁细菌依靠 它游向营养丰富的水底。通过电子显微镜 的研究表明，在趋磁细菌体内通常含有直 径约为20nm的磁性氧化物颗粒。
特殊的磁学性质
F-117A隐形战斗机
特殊的热学性质
• 固态物质在其形态为大尺寸时，熔点是固定的，超细微化 后却发现其熔点显著降低，当颗粒小于10纳米量级时尤为 显著。
• 例如，金的常规熔点为1064度，当颗粒小到10纳米是，则 降低27度，2nm尺寸时的熔点仅为327度左右；银的常规 熔点为670度，而超微银颗粒的熔点可低至100度。
• 量子尺寸 • 粒子尺寸下降到一定值时，费米能级接近
的电子能级由准连续能级变为分立能级的 现象称为量子尺寸效应。 Kubo采用一电子 模型求得金属超微粒子的能级间距为： 4Ef/3N。
量子尺寸效应
• 式中Ef为费米势能，N为微粒中的原子数。宏观物 体的N趋向于无限大，因此能级间距趋向于零。纳 米粒子因为原子数有限，N值较小，导致有一定的 值，即能级间距发生分裂。半导体纳米粒子的电 子态由体相材料的连续能带随着尺寸的减小过渡 到具有分立结构的能级，表现在吸收光谱上就是 从没有结构的宽吸收带过渡到具有结构的吸收特 性。在纳米粒子中处于分立的量子化能级中的电 子的波动性带来了纳米粒子一系列特性，如高的 光学非线性，特异的催化和光催化性质等。