纳米材料及其关键技术课程名称机械制造技术基础学院机械工程学院年级2011级专业班机自01班学生姓名陈庆学号20112352开课时间2013至2014学年第1学期【摘要】纳米技术是当今世界最优前途的决定性技术。

文章简要的概述了纳米材料主要效应、特征和特性已经纳米技术的应用前景【关键词】纳米技术；纳米材料；效应；特征；特性；应用；前景一、纳米材料主要效应、特征和特性（一）纳米材料的效应纳米材料与同质块体材料性质上有很大的差异，引起这种差异的原因可能是多方面的，甚至有些原因至今尚不清楚，但目前学术界普遍认为，纳米材料特殊的物理化学性质与纳米材料四大效应有着密切联系。

表面效应：当颗粒的直径减小到纳米尺度范围时，随着粒径减小，比表面积和表面原子数迅速增加。

量子尺寸效应：当金属或半导体从三维减小至零维时，载流子在各个方向上均受限，随着粒子尺寸下降到接近或小于某一值（激子玻尔半径）时，费米能级附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。

金属或半导体纳米微粒的电子态由体相材料的连续能带过渡到分立结构的能级，表现在光学吸收谱上从没有结构的宽吸收过渡到具有结构的特征吸收。

量子尺寸效应带来的能级改变、能隙变宽，使微粒的发射能量增加，光学吸收向短波长方向移动，直观上表现为样品颜色的变化，如CdS微粒由黄色逐渐变为浅黄色，金的微粒失去金属光泽而变为黑色等。

同时，纳米微粒也由于能级改变而产生大的光学三阶非线性响应，还原及氧化能力增强，从而具有更优异的光电催化活性。

小尺寸效应：当物质的体积减小时，将会出现两种情形：一种是物质本身的性质不发生变化，而只有那些与体积密切相关的性质发生变化，如半导体电子自由程变小，磁体的磁区变小等；另一种是物质本身的性质也发生了变化，当纳米材料的尺寸与传导电子的德布罗意波长相当或更小时，周期性的边界条件将被破坏，材料的磁性、内压、光吸收、热阻、化学活性、催化活性及熔点等与普通晶粒相比都有很大的变化，这就是纳米材料的体积效应，亦即小尺寸效应。

这种特异效应为纳米材料的应用开拓了广阔的新领域，例如，随着纳米材料粒径的变小，其熔点不断降低，烧结温度也显著下降，从而为粉末冶金工业提供了新工艺；利用等离子共振频移随晶粒尺寸变化的性质，可通过改变晶粒尺寸来控制吸收边的位移，从而制造出具有一定频宽的微波吸收纳米材料。

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。

近年来，人们发现一些宏观量，例如：微粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量以及电荷等也具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统中的势垒并产生变化，称为宏观量子隧道效应[8]．利用这个概念可以定性解释超细镍粉在低温下继续保持超顺磁性。

Awachalsom等人采用扫描隧道显微镜技术控制磁性粒子的沉淀，并研究低温条件下微粒磁化率对频率的依赖性，证实了低温下确实存在磁的宏观量子隧道效应[9]宏观量子隧道效应的研究对基础研究和实际应用都有重要的意义。

它限定了磁带、磁盘进行信息存储的时间极限。

宏观量子隧道效应与量子尺寸效应，是未来微电子器件的基础，或者说确立了现有微电子器纳米材料研究与纳米技术的应用件进一步微型化的极限。

库仑堵塞与量子隧穿：当体系的尺度进入到纳米级（一般金属粒子为几个纳米，半导体粒子为几十纳米），体系是电荷“量子化”的，即充电和放电过程是不连续的，充入一个电子所需的能量Ec为e2/2C，为一个电子的电荷，为小体系的电容，eC体系越小，C越小，能量Ec越大。

我们把这个能量称为库仑堵塞能。

换句话说，库仑堵塞能是前一个电子对后一个电子的库仑排斥能，这就导致了对一个小体系的充放电过程，电子不能集体传输，而是一个一个单电子的传输。

通常把小体系中这种单电子输运行为称为库仑堵塞效应。

如果两个量子点通过一个“结”连接起来，一个量子点上的单个电子穿过能垒到另一个量子点上的行为称作量子隧穿。

利用库仑堵塞和量子隧穿效应可以设计下一代的纳米结构器件，如单电子晶体管和量子开关等。

以上几种效应都是纳米微粒和纳米固体的基本特性，它使纳米微粒和纳米固体呈现出许多奇特的物理和化学性质，出现一些不同于其它大块材料的反常现象。

这使纳米材料具有了传统材料所没有的优异性能和巨大的应用前景，成为材料科学中的一大亮点。

介电限域效应：当纳米微粒分散在异质介质中，将导致体系介电增强，从而引起微粒的介电性质与光学特性发生变化，这就是介电限域效应。

一般情况下，纳米材料被分散在一种介电常数较低的基质当中，当介质的介电常数比纳米微粒小的多时，介电限域效应将起很重要的作用，它将使电子、空穴库仑作用增大，从而使激子束缚能进一步增大。

（二）纳米材料的特征当粒子的尺寸减小到纳米量级，将导致声、光、电、磁、热性能呈现新的特性。

比方说：被广泛研究的II-VI 族半导体硫化镉，其吸收带边界和发光光谱的峰的位置会随着晶粒尺寸减小而显著蓝移。

按照这一原理，可以通过控制晶粒尺寸来得到不同能隙的硫化镉，这将大大丰富材料的研究内容和可望得到新的用途。

我们知道物质的种类是有限的，微米和纳米的硫化镉都是由硫和镉元素组成的，但通过控制制备条件，可以得到带隙和发光性质不同的材料。

也就是说，通过纳米技术得到了全新的材料。

纳米颗粒往往具有很大的比表面积，每克这种固体的比表面积能达到几百甚至上千平方米，这使得它们可作为高活性的吸附剂和催化剂，在氢气贮存、有机合成和环境保护等领域有着重要的应用前景。

（三）纳米材料的特性1 力学性能高温、高硬、高强是结构材料开发的永恒主题，纳米结构材料的硬度（或强度）与粒径成反比。

材料晶粒的细化及高密度界面的存在，必将对纳米材料的力学性能产生很大的影响。

在纳米材料中位错密度非常低，纳米材料研究与纳米技术的应用采取Frand-Reed 模型，其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径还要大，增殖后位错塞积的平均间距一般比晶粒大，所以在纳米材料中位错的滑移和增殖不会发生，此即纳米晶强化效应。

2 光学性能纳米粒子的粒径（10～100nm）小于光波的波长，因此将与入射光产生复杂的交互作用。

金属在适当的蒸发沉积条件下，可得到易吸收光的黑色金属超微粒子，称为金属黑，这与金属在真空镀膜时形成的高反射率光泽面成强烈对比。

由于量子尺寸效应，纳米半导体微粒的吸收光泽普遍存在蓝移现象，纳米材料因其光吸收率大的特色，可应用于红外线感测器材料。

此外，TiO2 超细或纳米粒子还可用于抗紫外线用品。

块状金属具有各自的特征颜色，但当其晶粒尺寸减小到纳米量级时，所有金属便都呈黑色，且粒径越小，颜色越深，即纳米晶粒的吸光能力越强。

纳米晶粒的吸光过程还受其能级分离的量子尺寸效应和晶粒及其表面上电荷分布的影响。

由于纳米材料的电子往往凝集成很窄的能带，因而造成窄的吸收带。

半导体硅是一种间接带隙半导体材料，通常情况下发光效率很弱，但当硅晶粒尺寸减小到5nm及以下时，其能带结构发生了变化，带边向高能带迁移，观察到了很强的可见发射。

4nm以下的Ge晶粒也可发生很强的可见光发射。

3 电学性能由于纳米材料晶界上原子体积分数增大，纳米材料的电阻高于同类粗晶材料，甚至发生尺寸诱导，金属向绝缘体转变，在磁场中材料电阻的减小非常明显。

电学性能发生奇异的变化，是由于电子在纳米材料中的传输过程受到空间维度的约束从而呈现出量子限域效应。

在纳米颗粒内，或者在一根非常细的短金属线内，由于颗粒内的电子运动受到限制，电子动能或能量被量子化了。

结果表现出当金属颗粒的两端加上电压，电压合适时，金属颗粒导电；而电压不合适时金属颗粒不导电。

这样一来，原本在宏观世界内奉为经典的欧姆定律在纳米世界内不再成立了。

金属银会失去了典型金属特征；纳米二氧化硅比典型的粗晶二氧化硅的电阻下降了几个数量级；常态下电阻较小的金属到了纳米级电阻会增大，电阻温度系数下降甚至出现负数；原来绝缘体的氧化物到了纳米级，电阻却反而下降，变成了半导体或导电体。

纳米材料的电学性能决定于其结构。

如随着纳米碳管结构参数的不同，纳米碳管可以是金属性的、半导体性的。

4 磁学性能当晶粒尺寸减小到纳米级时，晶粒之间的铁磁相互作用开始对材料的宏观磁性有重要的影响。

纳米颗粒由于尺寸超细，一般为单畴颗粒，其技术磁化过程由晶粒的磁各向异性和晶粒间的磁相互作用所决定。

纳米晶粒的磁各向异性与晶粒的形状、晶体结构、内应力以及晶粒表面的原子有关，与粗晶粒材料有着显著的区别，表现出明显的小尺寸效应。

5 热学性能由于纳米材料界面原子排列比较混乱、原子密度低、界面原子耦合作用变弱，因此纳米材料的比热和膨胀系数都大于同类粗晶和非晶材料的值。

如金属银界面热膨胀系数是晶内热膨胀系数的2.1倍；纳米铅的比热比多晶态铅增加25%～50%；纳米铜的热膨胀系数比普通铜大好几倍；晶粒尺寸为8nm 的纳米铜的自扩散系数比普通铜大1019 倍。

6 烧结性能纳米材料不同于块状材料是由于其表面积相对增大，也就是超微粒子的表面占据在部分的结构空间，该结构代表具有高表面能的不安定原子。

这类原子极易与外来原子吸附键结合，同时因粒径细小而提供大表面的活性原子。

纳米材料中有大量的界面，这些界面为原子提供了短程扩散途径。

7 纳米陶瓷的超塑性能超塑性是指材料在断裂前能产生很大的伸长量的性能。

这种现象通常发生在经历中等温度，中等至较低的应变速率条件下的细晶材料中，主要是由晶界及原子的扩散率起作用引起的。

一般陶瓷材料属脆性材料，它们在断裂前的形变率很小。

二、纳米技术的应用（一）发展趋势（1）信息产业中的纳米技术：信息产业不仅在国外，在我国也占有举足轻重的地位。

2000年，中国的信息产业创造了GDP5800 亿人民币。

纳米技术在信息产业中应用主要表现在3个方面：①网络通讯、宽频带的网络通讯、纳米结构器件、芯片技术以及高清晰度数字显示技术。

因为不管通讯、集成还是显示器件，都要原器件，美国已经着手研制，现在有了单电子器件、隧穿电子器件、自旋电子器件，这种器件已经在实验室研制成功，而且可能在2001 年进入市场。

②光电子器件、分子电子器件、巨磁电子器件，这方面我国还很落后，但是这些原器件转为商品进入市场也还要10年时间，所以，中国要超前15年到20年对这些方面进行研究。

③网络通讯的关键纳米器件，如网络通讯中激光、过滤器、谐振器、微电容、微电极等方面，我国的研究水平不落后，在安徽省就有。

④压敏电阻、非线性电阻等，可添加氧化锌纳米材料改性。

（2）环境产业中的纳米技术：纳米技术对空气中20 纳米以及水中的200 纳米污染物的降解是不可替代的技术。

要净化环境，必须用纳米技术。

我们现在已经制备成功了一种对甲醛、氮氧化物、一氧化碳能够降解的设备，可使空气中的大于10ppm 的有害气体降低到0.1ppm，该设备已进入实用化生产阶段；利用多孔小球组合光催化纳米材料，已成功用于污水中有机物的降解，对苯酚等其它传统技术难以降解的有机污染物，有很好的降解效果。