13
纳米金属硫化物
纳米碳（硅）化物
14
【例】纳米透明隔热涂料
纳米氧化铟锡、氧化锡锑、掺铝氧化锌
15
在可见光区均有较高的透过率(80%~90%),ITO用量提 高,可见光透过率略有下降。在波长大于800 nm的近红 外区透过率开始下降,波长在1 500 nm以上的红外光透 过率几乎为零
16
四、纳米材料的研究内容
*纳米微粒催化剂 纳米Ni作有机物氢化催化剂，比普通Ni催化剂效率高十倍 *自洁玻璃:玻璃+纳米TiO2涂层 ----催化碳氢化合物的进一步氧化 *汽车尾气净化剂 ----纳米Fe、Ni与r-Fe2O3混合烧结后可代替贵金属
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二、 小尺寸效应 随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性 质的质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性 质的变化称为小尺寸效应。 （1） 特殊的光学性质 （2） 特殊的热学性质 （3） 特殊的磁学性质 （4） 特殊的力学性质
1×10-2
1×10-3 1×10-5 1×10-7
1
103 109 1015
6 ×102
6 ×103 6 ×105 6 ×107
1×10-9
1021
6 ×109
《
22
表面原子所占比例增大
表面能增大
在T和P组成恒 定时，可逆地 使表面积增加 dA所需的功叫 表面功 《
23
应用 表面粒子活性高—>纳米粉体活性高
34
2、纳米颗粒的蒸汽压
上升
2 M ln p0 RTr p
式中： P、P0 ：分别为纳米颗粒和块状物质的蒸汽压； M：摩尔质量； R：为气体常数； T：为绝对温度
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3、纳米颗粒的烧结温度
降低
原因：
界面具有高能量，在烧结中高的界面能成为原子
运动的驱动力
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4、纳米颗粒的结晶温度
降低
纳米颗粒开始长大的温度随粒径的减小而降低， 即非晶纳米颗粒的晶化温度降低。 纳米颗粒的熔点、开始烧结温度和晶化温度均随 粒径的减少而有较大幅度的降低，而蒸汽压则有 较大幅度的升高。
物质熔点下降
金纳米微粒的粒径与熔点的关系
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物质熔点下降的程度：
2 slT0 T rH
△T：块状物质熔点(T0)与纳米颗粒熔点(T)之差；
γSL ：为固液界面张力；
ρ：密度；△H为熔化热；r为颗粒粒径。
纳米颗粒熔点下降的原因： 熔化时所需增加的内能小得多，这使得纳米颗粒熔点 达尔效应示意图
Fe(OH)3胶体
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小体积效应引发的商机
护肤品
优点 1. 增加活性成分吸收率、使产品 更好吸收、效果发挥更快 2. 使活性成分更精确的到达皮肤 深层发挥作用 3. 大大降低刺激性及过敏发生机 会 4. 较少的剂量就可以达到更高效 率效果
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2.2 热学性能
1、纳米颗粒的熔点
/ kB = (1.45 x 10-18)/V
(K cm3)
50
4 d V 3 2
d0＝14 nm。
3
如果取δ/kB=1K，微粒直径为d，代入上式，求得
根据久保理论，只有δ＞kBT(热运动能)时才会产生能
级分裂，从而出现量子尺寸效应，即
/ kB = (1.45 x 10-18)/ V > 1
3
2.1 维数
0维： 指在空间3维尺度均在纳米尺度 1维：指在空间有2维处于纳米尺度 2维：指在空间中有1维在纳米尺度 3维：纳米固体，由纳米微粒组成的体相材料
A
B
C
4
2.1 维数
0维： 指在空间3维尺度均在纳米尺度
1985年，科尔、科罗脱和斯麦利发现了C60团簇， 5 也叫巴基球，C60直径大约是1纳米。
①纳米金属Fe（5nm）饱和磁化强度比常规α－Fe低40％， 其比饱和磁化强度随粒径的减小而下降 ②单晶FeF2由顺磁转变为反铁磁的奈耳温度范围很窄，只 有2K，而纳米 FeF2（ 10nm）在 78～88K由顺磁转变为 反铁磁，即有一个宽达12K的奈耳温度范围； ③1988年日本发现纳米合金Fe－Si－Bi－Cu（20～50nm） 具有好的软磁性能，可用作高频转换器，其芯耗低至 200mW／cm3，有效磁导率高于108。当晶粒度大于 100nm时，上述软磁性能消失。
表面原子比物质内部原子具有更高活性和化学反
应性
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比表面：
把物质分散成细小微粒的程度称为分散度
常用比表面来表示多相分散体系的分散程度
Am A / m
或
AV A / V
单位质量的物质所具有的表面积 单位体积的物质所具有的表面积
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【例】 把边长为1 cm的立方体1 cm3逐渐分割成小立方体时，比 表面增长情况列于下表： 边长l/m 立方体数 比表面Av /（m2/m3）
1维：指在空间有两维处于纳米尺度
纳米管 纳米线 纳米棒
6
2维：指在空间中有1维在纳米尺度
纳米膜——纳米膜分为颗粒膜与致密膜 颗粒膜是纳米颗粒粘在一起，中间有极为细小的间隙的薄膜
致密膜指膜层致密但晶粒尺寸为纳米级的薄膜。
可用于：气体催化（如汽车尾气处理）材料；过滤器材料； 平面显示器材料；超导材料等。
(导体—绝缘体)的临界粒径d0，Ag的电子密度：n = 6 x 1022/cm3 ， h为普朗克常数，6.63×10-34J•s， m为 电子的静止质量，9.108×10-31 kg，由久保公式：
4 EF V 1 3 N
已知： 得到
2 EF 3 n 2m
2


2
3
（ＥF费米能级）

h m

6.631034 J s 0.05 kg 300m s 1
4.4 10
35
m
26
2.1 光学性质 1、 宽频带强吸收
纳米颗粒大的比表面导致了平
均配位数下降，不饱和键和悬
键增多，使得界面极化，吸收 频带展宽。
在红外光场作用下，纳米颗粒
对红外吸收的频率存在一个较 宽的分布，导致纳米颗粒的红 外吸收带的宽化。
27
纳米吸波复合材料 高效光热、光电转 换材料
28
2、蓝移和红移现象 蓝移：吸收带向短波方向移动
纳米颗粒的吸收带普遍存在“ 蓝移”现象的原因：
量子尺寸效应； 表面效应
D B
Ａ
C
29
3、纳米粒子发光
产生原因： 半导体具有窄的
直接跃迁的带隙，因此在光激
发下电子容易跃迁引起发光
蝴蝶翅膀的色彩
30
25
h h p mv
小尺寸效应产生原因：
当纳米颗粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导
态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时
晶体周期性的边界条件被破坏，非晶态纳米颗粒表面层
附近原子密度减小
这将导致声、光、电磁、热力学等特性均会出现新的 尺寸效应 一质量m=0.05㎏的子弹,以速率v＝300m/s运动着,其德布 罗意波长为多少?
7
3维：纳米块体材料 由纳米微粒组成的体相材料 由大量纳米微粒在保持表（界）面清洁条件
下组成的三维系统，其界面原子所占比例很高
单相微粒组成的纳米相材料； 两种或以上的相微粒组成的纳米复合材料
8
3－D 大块材料
量子阱
2－D
量子线
1－D
量子点
0－D
9
按材料的性质、结构、性能、来源可有不同的分类方法 化学组成：纳米金属、纳米晶体、纳米陶瓷、纳米玻璃、
纳米高分子和纳米复合材料。
按材料物性：纳米半导体、纳米磁性材料、纳米非线性光 学材料、纳米铁电体、纳米超导材料 按应用：纳米电子材料、纳米光电子材料、纳米生物医用 材料、纳米敏感材料、纳米储能材料等。
10
三、 纳米粉体 纳米微粒是指尺度处于1~100nm之间的粒子的集合 体，是处于该几何尺寸的各种粒子集合体的总称。
51
由此得出，1K时，当粒径do ＜14 nm，Ag纳米微
粒可以由导体变为绝缘体，如果温度高于1K，
则要求do<<14 nm才有可能变为绝缘体。
实验表明，纳米Ag的确具有很高的电阻，类似于 绝缘体，这就是说，纳米Ag满足上述两个条件。 随着尺度的降低，准连续能带消失，在量子点出 现完全分离的能级。
44
1. 原子中电子的能级
量子化：量子力学中，某一物理量的变化不是连续
的，称为量子化。 如：各种元素都具有自己特定的光谱线，如氢原子 和钠原子分立的光谱线。
45
2.电子能级的不连续性-久保理论
对于宏观物体包含无限个原子(即导电电子数N→∞)。
久保公式 ：
4 EF 3 N
能级间距δ→0，费米能级 ( EF) 大粒子或宏观物体能级间距几乎为零------以能带形 式存在
4. 费米能级
费米-荻拉克分布函数
能级间隔增大，费米能级 附近的电子移动困难，从 而使能隙变宽，金属导体 将变为绝缘体。
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说明：

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。

对于只有有限个导电电子的超微粒子来说， 低温下能级是离散的。
49
【例】 ：Ag微粒为例计算在1K时出现量子尺寸效应
第二章 纳米材料及其 基本性质
1
第一节 纳米材料
一、纳米材料学
关于纳米材料的性质、合成、结构及其变化规律和
应用的一门学科。 纳米粉体材料及其衍生材料的工艺技术路线
结构与性能的关系
基础应用等
2
二、纳米材料 三维空间中至少有一维尺寸小于100 nm的材料或 由它们作为基本单元构成的具有特殊功能的材料。 分类方法： 维度（数）、材料的性质、结构、性能等