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• 吸收光谱的红移现象的原因
• 由于表面或界面效应，引起纳米微粒的 表面张力增大，使发光粒子所处的环境 变化致使粒子的能级改变，带隙变窄所 引起的。
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• (4) 纳米微粒的发光
• 光致发光是指在一定波长光照射下被激发到高能级激 发态的电子重新跃回到低能级被空穴俘获而发射出光 子的现象。
• 电子跃迁可分为：非辐射跃迁和辐射跃迁。 • 通常当能级间距很小时，电子跃迁通过非辐射跃迁过
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Field emission property improvement of ZnO nanowires coated with amorphous carbon and carbon nitride films Nanotechnology 16 (2005) 985–989
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5. 纳米孔材料（孔径为纳米级）
• MCM-41; SBA-16; • Nanoporous silicon; • Activated carbons
MCM-41
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• 4. 体相纳米材料（由纳米材料组 装而成）
晶粒尺寸在纳米尺度（1～100 nm）范围的块状材料。
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SBA-16
6, 9, 20, 26 nm
• 比如说纳米尺度的颗粒，或者是分子膜的厚度 在纳米尺度范围内。尺寸
• 第二、由于量子效应、界面效应、表面效应等， 使材料在物理和化学上表现出奇异现象。
• 比如物体的强度、韧性、比热、导电率、扩散 率等完全不同于或大大优于常规的体相材料。 性能
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§2.2 纳米微粒的物理特性
• 纳米微粒具有大的比表面积，表面原子数、 表面能和表面张力随粒径的下降急剧增加，
• 从那时起，不同的实验也证实了不同的纳米晶 都具有这种效应。
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• (1)熔点和开始烧结温度比常规粉体的低得多。
“真金手为握何金也汤怕火炼”
• 大块铅的熔点327 ℃ ，20 nm 纳米Pb 39 ℃. • 纳米铜(40 nm)的熔点，由1053℃(体相)变为
750℃。 • 块状金熔点 1064 ℃，10 nm时1037 ℃；2 nm
束的材料体系，即电子在三个维度上的能量 都是量子化的。也叫零维量子点。
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• 因为纳米单元往往具有量子性质，所以 对零维、一维和二维的基本单元分别又 有量子点、量子线和量子阱之称。
量子阱 2－D
• 量子阱：
• 是指载流子在两个方向（如在X,Y平面内）上 可以自由运动，而在另外一个方向（Z）则受 到约束，即材料在这个方向上的特征尺寸与电 子的德布罗意波长或电子的平均自由程相比拟 或更小。有时也称为二维超晶格。
这位退役飞行员表示，为了匿踪，直升机的挡风玻璃必须有特殊涂料， 会影响飞行员的视线。尤其这次在夜间执行任务，飞行员戴着夜视镜， 负担尤其沉重。
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为什么士兵突击中一个鸡蛋就暴露了阵地位置呢?
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• (2)蓝移和红移现象 • A 蓝移 • 与大块材料相比，纳米微粒的吸收带普遍存在
“蓝移”现象，即吸收带移向短波长方向。 • 例如： • 纳米SiC颗粒和大块固体的峰值红外吸收频率
金属纳米颗粒在空气中自燃
视40屏
• §2.2.2 光学性能
• (1)宽频带强吸收
当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，便失去 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。
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• 光与物质相互作用，除吸收 外，还有散射作用，微粒对 光波的散射与波长的四次方 成反比，因此天空成蓝色。
这个碳纳米球的形状和大小使它能够很好地与被艾滋病毒感
染过的细胞结合，从而把相应的药物传达至被感染的细胞。
有关药物在动物试验中已经取得良好效果，一旦获得有关部
门批准，马上就进行人体试验。
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纳米储能材料（举例）
能储氢的纳米碳管（储氢率10％，按重量）
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纳米材料与传统材料的主要差别：
• 第一、这种材料至少有一个方向是在纳米的数 量级上。
程发射声子，此时不发光。 • 而只有当能级间距较大时，才有可能实现辐射跃迁，
发射光子。
E2
自发辐射
能级跃迁
E1
E2 E1/ h
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• 当纳米微粒的尺寸小到 一定值时可在一定波长 的光激发下发光。
• 1990年。日本佳能研究 中心的Tabagi等发现，粒 径小于6nm的硅在室温下 可以发射可见光。
相对粗晶材料呈现“红移”现象。即吸收带移 向长波长。 • 例如，在200~1400nm波长范围，单晶NiO呈现 八个光吸收带。蜂位分别为3.52，3.25．2.95， 2.75，2.15，1.95，1.75和1.13 eV， • 纳米NiO(粒径在54~84nm范围)不出现3.52eV的 吸收带，其他7个带的蜂位分别为3.30，2.99， 2.78，2.25，1.92，1.72和1.03eV， • 很明显，前4个光吸收带相对单晶的吸收带发 生蓝移，后3个光吸收带发生红移。
• 一、量子尺寸效应 • 由于颗粒尺寸下降能隙变宽，这就导致光吸
收带移向短波方向。 • Ball等对这种蓝移现象给出了普适性的解释：
已被电子占据分子轨道能级与未被占据分子 轨道能级之间的宽度 (能隙)随颗粒直径减小 而增大，这是产生蓝移的根本原因，这种解 释对半导体和绝缘体都适用。
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• B 红移 • 在一些情况下，粒径减小至纳米级时光吸收带
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2.1.2
• 按化学成分分类
根据化学成分，纳米材料可分为纳 米金属、纳米晶体、纳米陶瓷和纳米高分 子。
纳米Al颗粒
纳米晶粒
纳米陶瓷
高分子
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2.1.2
• 按物性分类
根据物性，纳米材料可分为纳米 半导体材料、纳米热电材料、纳米磁性 材料、纳米非线性光学材料、纳米铁磁 材料、纳米超导体材料。
磁畴
• 纳米材料的这些热学性质与其晶粒尺寸直接相 关。
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• 纳米微粒的粒径与熔点的关系
• 对于一个给定的材料来说，熔点是指固态和液 态间的转变温度。
• 当高于此温度时，固体的晶体结构消失，取而
代之的是液相中不规则的原子排列。
• 1954年，M. Takagi首次发现纳米粒子的熔点低 于其相应块体材料的熔点。
第二章 纳米微粒的物理化学特性
• 教学目的：讲授纳米微粒的物理化学特性及 碳纳米管
• 重点内容： • 纳米材料的分类 • 纳米材料与传统材料的主要差别 • 物理特性：热学性能，磁学性能，光学性能，
电学性能，表面活性及敏感特性，光催化性 能，力学性能 • 富勒烯、碳纳米管的发现，性质及应用 • 难点内容：物理特性
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2.1.1 纳米材料的分类
• 按维数分类 根据维数，纳米材料可分为 零维纳米材料、 一维纳米材料、 二维纳米材料、 三维纳米块体材料 纳米孔材料。
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1.零维纳米材料
空间三维尺度都在纳米 尺度（1～100nm）范围 内，即纳米颗粒。
C60富勒烯
纳米微粒
原子团簇
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李亚栋 Nature 2005
• 图所示的为室温下，紫 外光激发引起的纳米硅 的发光谱。
蓝移
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• 可以看出，随粒径减小，发射带强度增强并移 向短波方向。当粒径大于6nm时，这种光发射 现象消失。
• Tabagi认为，硅纳米微粒的发光是载流子的量 子限域效应引起的。
• Brus认为，大块硅不发光是它的结构存在平移 对称性，由平移对称性产生的选择定则使得大 尺寸硅不可能发光，当硅粒径小到某一程度时 (6nm)，平移对称性消失，因此出现发光现象。
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 以高效率地将太阳能转变为热能、电能。还可能应 用于红外敏感元件、红外隐身技术等。
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纳米隐身飞机 在飞机外表面涂上纳米超微粒材
料,可以有效吸收雷达波,这就是隐身飞机。
F-117A战斗机和B-2轰炸机
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袭杀本拉登 使用隐形变种黑鹰
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• 主要英文词汇： • Cluster, nanoparticle, quantum dot, • one-dimensional nanomaterials, • nanorod, nanowire, nanotube, • nanofiber, nanocable, nanospring， • nanobelt, nanoribbon， • nanoneedle
时，327 ℃； • 银块熔点，960 ℃；纳米银(2-3 nm)，低于100
℃。 用于低温焊接(焊接塑料部件)。
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• Wronski计算出Au微粒的粒径与熔点的关系，如 图所示。
• 图中看出，超细颗粒的熔点随着粒径的减小而下 降。当粒径小于10 nm时，熔点急剧下降。其中 3nm左右的金微粒子的熔点只有其块体材料熔点 的一半。
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2.一维纳米材料
空间三维尺度中有两维在 纳米尺度（1～100 nm）范 围内，包括纳米棒、纳米管、 纳米线和原子线等。
纳米棒
碳纳米管
Si纳米线
碳原子线
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一维纳米材料 ----纳米棒、纳米带和纳米线
• 一维纳米材料是指在两维方向上为纳米 尺度，长度比上述两维方向上的尺度大 很多，甚至为宏观量的新型纳米材料。
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3. 二维纳米材料
空间三维尺度中有一维在纳米尺度（1～ 100 nm）范围内，包括纳米薄膜、纳米涂 层和超晶格等。
பைடு நூலகம்
纳米多孔薄膜
超晶格 20
• 量子线： • 是指载流子仅在一个方向上可以自由运动，