能级变为离散能级的现象，以及纳米半导体微粒
存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占 据的分子轨道能级而使能隙变宽的现象，称为量 子尺寸效应。
量子尺寸效应可导致纳米颗粒的磁、光、 声、电、热以及超导电性与同一物质原有 性质有显著差异，即出现反常现象： • 光谱线频移 • 导电性能变化
光谱线频移
微粒下降到纳米尺度时，费米能级附近的 电子能级由准连续能级变为分立能级，吸 收光谱阈值向短波或者长波方向移动。
应用
美国贝尔实验室发现当半导体硒化镉颗粒 随尺寸的减小能带间隙加宽，发光颜色由 红色向蓝色转移。美国伯克利实验室控制 硒化镉纳米颗粒尺寸，所制备的发光二极 管可在红、绿和蓝光之间变化。
导电性能变化
金属都是导体，但纳米金属颗粒在低温时， 由于量子尺寸效应会呈现绝缘性。
应用
量子尺寸效应使纳米技术在微电子学和光 电子学地位显赫。
分类
（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） 特殊的光学性质 • 表现为颜色
• 所有的金属在超微颗粒状态时都呈现为黑 色。尺寸越小，颜色越黑。
应用
利用光学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。也有可能应用于红外敏 感原件、红外隐身技术（纳米复合材料对 光的反射度极低，但对电磁波的吸收性能 极强，是隐形技术的突破）等。
Байду номын сангаас
（3） 特殊的磁学性质 小尺寸的超微颗粒磁性与大块材料显著的 不同，大块的纯铁矫顽力约为 80安／米， 而当颗粒尺寸减小到 2×10-2微米以下时， 其矫顽力可增加1千倍，若进一步减小其尺 寸，大约小于 6×10-3微米时，其矫顽力反 而降低到零，呈现出超顺磁性。
应用
利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性， 已作成高贮存密度的磁记录磁粉，大量应 用于磁带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙等。
纳米材料的形貌
• 纳米微粒一般为球形或类球形。
• 纳米晶体内部原子排列整齐，表面存在原 子台阶。 • 纳米微粒还有其他形状的，主要与不同合 成方法和其晶体结构有关。 • 纳米微粒的结构一般与大颗粒的相同，但 有时会出现很大差别。
纳米材料的性质与形貌
纳米材料的性质
一，表面效应 二，小尺寸效应 三，量子尺寸效应 四，宏观量子隧道效应
纳米材料特性的原因
• 纳米材料四大特点: 尺寸小、比表面积大、 表面能高、表面原子比例大 • 纳米级材料性能表现出强烈的尺寸依赖性。
一，表面效应
是指纳米超微粒子的表面原子数与总原子
数之比随着纳米粒子尺寸的减小而大幅度
（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： • 熔点降低、 • 开始烧结温度降低、 • 晶化温度降低 当颗粒小于10纳米量级时尤为显著。
熔点降低
开始烧结温度降低
晶化温度降低
应用
超微颗粒熔点下降的性质对粉末冶金工业 具有一定的吸引力。在钨颗粒中附加0.1%0.5%（质量分数）的超微镍颗粒后，可使 烧结温度从3000oC降低到1200~1300oC。
• 红外光吸收：纳米Al2O3、TiO2、SiO2、Fe2O3及 其复合材料对人体红外有强烈吸收，可以起到保 暖作用，减轻衣服重量，对登山运动员、军人战 士防寒。 • 紫外光吸收：纳米TiO2、Al2O3、SiO2、ZnO粉末 对250nm以下的波长有较强的吸收。185nm的短波 紫外线对人体健康有损害，而且对日光灯的寿命 有影响，若将Al2O3粉末掺入稀土荧光粉中，可吸 收掉这些有害的紫外光。
地增加，粒子的表面能及表面张力也随着
增加，从而引起纳米粒子性能的变化。
应用
二，小尺寸效应
当纳米粒子的尺寸与光波波长、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，对于晶体其 周期性的边界条件将被破坏，对于非晶态 纳米粒子其表面层附近原子密度减小，这 些都会导致电、磁、光、声、热力学等性 质的变化，这称为小尺寸效应，又称体积 效应。
“摔不坏的陶瓷壶、陶瓷碗”
材料世界中的大力士-纳米金属块体 金属纳米颗粒粉体制 成块状金属材料，它 会变得十分结实，强
度比一般金属高十几
倍，同时又可以像橡 胶一样富于弹性.
三，量子尺寸效应
金属费米能级附近电子能级在高温或宏观尺寸情
况下一般是连续的，但当微粒尺寸下降到某一纳 米值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续
四，宏观量子隧道效应
微观粒子具有穿越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 量等亦具有隧道效应，它们可以穿越宏观 系统的势垒而产生变化，故称为宏观量子 隧道效应。
电子既具有粒子性又具有波动性，因此存 在隧道效应。
应用
• 量子尺寸效应、宏观量子隧道效应将会是未来微 电子、光电子器件的基础，或者说它确立了现存 微电子器件进一步微型化的极限，当微电子器件 进一步微型化时必须要考虑上述的量子效应。 • 例如，在制造半导体集成电路时，当电路的尺寸 接近电子波长时，电子就通过隧道效应而溢出器 件，使器件无法正常工作，经典电路的极限尺寸 大概在0.25微米。目前研制的量子共振隧穿晶体 管就是利用量子效应制成的新一代器件。
纳米磁性材料的磁记录密度可比普通
的磁性材料提高10倍。
（4） 特殊的力学性质 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。
应用
纳米陶瓷粉制成的
陶瓷有一定的塑性， 高硬度和耐高温。 纳米陶瓷刚柔并济！