第二章 纳米材料的基本效应

第二章纳米材料的基本效应纳米材料的基本效应2.1.量子尺寸效应2.2.小尺寸效应2.3.表面效应2.4.库仑堵塞效应2.5.宏观量子隧道效应T.MasciangioloandWei-XianZhang,“EnvironmentalTechnologiesattheNanoscale”,EST,2003,102A-108AHemoglobin红血球蛋白原生动物纳米材料测试主要仪器简介透射电子显微镜(TEM)TransmissionElectronMicroscope扫描电子显微镜(SEM)ScanningElectronMicroscope扫描隧道显微镜(STM)

ScanningTunnelingMicroscope原子力显微镜(AFM)

AtomicForceMicroscopeX射线衍射仪(XRD)

X-raydiffractionX射线光电子能谱仪(XPS)

X-rayPhotoelectronSpectroscopy俄歇电子能谱仪(AES)Auger

ElectronSpectroscopy2.1.量子尺寸效应

量子尺寸效应是指当纳米粒子的尺寸下降到某一值时，金属粒子费米面附近电子能级由准连续变为离散能级的；即可看作由连续能级变成不连续能级的现象称为纳米材料的量子尺寸效应。E(r)=Eg(r

∞)+h2π2/2μr2-1.786e2/εr-0.248ERyμ=[1/me-+1/mh+],ε为介电常数,ERy为有效里德堡常数。E为能隙，单位为eV。

onset=1240/EgL.E.Brus,andY.Wang.

纳米材料中电子能级分布显著地不同于大块晶体材料中的电子能级分布。

在大块晶体中，电子能级准连续分布，形成一个个的晶体能带。金属晶体中电子填满整个导带，在热扰动下，金属晶体中的电子可以在导带各能级中较自由地运动，因而金属晶体表现为良好的导电及导热性。

在纳米材料中，由于至少存在一个维度为纳米尺寸，在这一维度中，电子相当于被限制在一个无限深的势阱中，电子能级由准连续分布能级转变为分立的束缚态能级。

能级间距δ决定了金属纳米材料是否表现出不同于大块材料的物理性质。当离散的能级间距δ大于热能、静电能、静磁能、光子能量或超导态的凝聚能时，将导致金属纳米微粒的热、电、磁、光以及超导电性与宏观物体有显著的不同，呈现出一系列的反常特性，此即为金属纳米微粒的量子尺寸效应。例如：宏观状态下的金属Ａｇ是导电率最高的导体，但粒径ｄ＜２０ｎｍ的Ａｇ微粒在１Ｋ的低温下却变成了绝缘体；这是由于其能级间距δ变大，低温下的热扰动不足以使电子克服能隙的阻隔而移动，电阻率增大，从而使金属良导体变为绝缘体。Au晶粒尺寸减小后变为半导体甚至绝缘体。

对半导体材料而言，在尺寸小于１００ｎｍ的纳米尺度范围内，半导体纳米微粒随着其粒径的减小也会呈现量子化效应，显现出与常规块体不同的光学和电学性质。常规大块半导体的能级是连续的能级，当颗粒减小时，半导体的载流子被限制在一个小尺寸的势阱中，在此条件下，导带和价带过渡为分立的能级，使半导体中的能隙变宽、吸收光谱阈值向短波方向移动（蓝移），此即为半导体纳米微粒的量子尺寸效应。与金属导体相比，半导体纳米颗粒组成的固体禁带宽度较大，受量子尺寸效应的影响非常明显。

对任何一种材料，都存在一个临界颗粒大小的限制，小于该尺寸的颗粒将表现出量子尺寸效应。除导体变为半导体、绝缘体外，纳米微粒的比热、磁矩等性质将与其所含电子数目的奇偶性有关，如：含有偶数电子的颗粒具有抗磁性，含有奇数电子的颗粒具有顺磁性（电子自旋磁矩的抵消情况不同）。纳米金属颗粒的电子数一般不易改变，因为当其半径接近１０ｎｍ时，增加或减少一个电子所需作的功（约０.1eV）比室温下的热扰动能值（ｋＢＴ）要大。当设法改变纳米微粒所含的电子数目时就可以改变其物性，如光谱线的频移、催化活性的大小与其所含原子及电子的数目有奇妙的联系，所含电子数目为某些幻数的颗粒能量最小、结构最稳定。L.H.Qu,X.G.Peng,J.Am.Chem.Soc.,2002,124,2049-2055.UV-vis:紫外可见吸收光谱；PL：荧光光谱。反应时间越短，晶粒越小，吸收带边界（能隙）蓝移。B.A.Kairdolf,etal.J.Am.Chem.Soc.,2008,130,12866–12867.Core-shellCdTe/CdSe量子点小尺寸的颗粒如何表征?TiO2,anataseSa=495.0m2/g=3.84g/cm3B=1.95Sa=266.2m2/gB=1.272.2.小尺寸效应（体积效应）指纳米粒子尺寸减小，体积缩小，粒子内的原子数减少而造成的效应。对超微颗粒而言，尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加，从而产生一系列新奇的性质，会导致粒子的声、光、电磁性、光吸收、热阻、化学活性、催化性以及熔点等与普通晶粒相比都有了很大的变化，呈现出新的特征，这就是纳米材料的小尺寸效应。

对超微颗粒而言，尺寸变小，就会产生如下一系列新奇的性质：当微粒的尺寸与光波波长、电子的德布罗意波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，由其构成的结晶态固体中晶体周期性的边界条件将被破坏，非晶态的微粒表面层附近的原子密度减小，比表面积显著增加，导致材料的力、热、声、光、电、磁及化学催化等特性与普通颗粒相比出现很大变化，这就是纳米颗粒的小尺寸效应。久保效应

(R.Kubo,J.Phys.Soc.Jpn,1962,17,975)复合电中性条件的颗粒，而且是在离散条件公式[=(4/3)0/N,0约为几个eV，N=104，

=10-4eV，约为1K]（>KT）成立的低温下，颗粒集合体的热性能才应该与块体的热性能不同。对于粒径为10Å的颗粒，大约为1K。体材料的连续能级与超微金属颗粒的离散能级（量子化）。

特殊的力学性质：当纳米颗粒构成固体时，由于界面急剧增多，界面上的原子排列相对混乱、易于迁移，界面在外力的作用下易变形，使材料表现出甚佳的韧性及延展性。如陶瓷材料在通常情况下呈脆性，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，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。研究表明，人的牙齿之所以具有很高的强度，是因为由纳米磷酸钙构成的牙釉具有高强度和高硬度。

结构呈纳米晶粒的金属要比传统粗晶粒金属硬３～５倍，纳米铁晶体的断裂强度可提高１２倍。至于金属-陶瓷等复合纳米材料则可在更大的范围内改变材料的力学性质，应用前景十分宽广。牙齿的结构与牙釉质的SEM照片SEM截面形貌：(A)改性SiO2纳米复合树脂;(B)丙酮萃取树脂后颗粒形貌无机纳米粒子(SiO2)充填量为70%的复合树脂，具有较低的聚合收缩率和较高的挠曲强度BA纳米无机相与有机高分子间强作用使杂化材料的力学性能全面提高，断裂韧性比无机氧化铝陶瓷提高5倍R.O.Ritchieetal.,Science,2008,322,151610nm金1037℃常规金1064℃2nm金327℃

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，当颗粒小于10nm量级时尤为显著，从而为粉末冶金工业提供了新工艺。常规银670℃纳米银5-10nm小于100℃

在钨颗粒中附加０．１％～０．５％重量比的超微镍颗粒后，可将烧结温度从３０００℃降低到１２００℃～１３００℃，以致可在较低的温度下烧制成大功率半导体器件的基片。颗粒为6nm的纳米铁晶体的断裂强度较多晶铁提高12倍；纳米铜晶体自扩散是传统晶体的106～1019倍，是晶界扩散的1013倍；纳米金属铜的比热是普通的纯铜的2倍；纳米Pd热膨胀提高1倍；纳米银晶体作为稀释制冷机的热交换器效率较传统的材料提高30％左右。

小尺寸的铂呈现黑色或者棕黑色,是很多低温氧化催化剂的重要成分,如汽车尾气催化(三效催化剂)等.小尺寸的Au/TiO2的低温氧化催化活性近年来也是催化领域研究的热点之一。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。M.Harada,H.Einaga,J.ColloidInterfaceSci.,2007,308,582.Y.L.Luo,Mater.Lett.,2007,61,1873

当超微颗粒的尺寸与光波波长（几百纳米）相当时，颗粒对光的吸收将极大增强、光反射显著下降（通常可低于１％），几个纳(微？)米厚的颗粒集合体就能完全消光，产生高效的光热、光电转换。利用这个特性可以制备高品质的光热、光电转换材料，高效率地将太阳能转变为热能、电能。此外，由纳米颗粒构成的固体在很宽的频谱范围内可对光均匀吸收；光谱吸收限会产生移动（一般为向短波方向的蓝移），并可能产生新的吸收带，等等。利用这些特性又有可能使纳米材料在隐身材料、红外敏感探测器件等领域找到新的应用。ChemCommun.,2010,46,1159-1161

在磁性方面，如大块的纯铁矫顽力约为８０A/m，而粒径２０nm（大于单磁畴临界尺寸）的铁颗粒的矫顽力可比此值增加１０００倍，已用做高密度存储的磁记录粉，大量应用于磁带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙等；但进一步减小粒径、小到６nm的铁颗粒，其矫顽力反而降低为零，呈现出超顺磁性，据此可用来制备磁性液体（由粒径在１０nm以下的强磁性微粒高度弥散于某种液体中所形成的稳定的胶体体系，由强磁性微粒、基液以及表面活性剂三部分组成），广泛应用于旋转密封、润滑等领域。

纳米颗粒涂层的等离子体共振频移现象也随其中颗粒的尺寸而变化，通过改变颗粒的尺寸可控制吸收边的位移，从而制造出具有一定频宽的微波吸收纳米材料，应用于电磁波屏蔽、隐形飞机等尖端领域。磁滞回线Bs/Ms饱和磁化强度或最大磁感应强度或饱和磁通密度——饱和极化强度Hc:矫顽磁场强度，矫顽力Br剩余磁化强度或剩余磁通密度2.3.表面效应

固体材料的表面原子与内部原子所处的环境是不同的。当材料粒径远大于原子直径时，表面原子可以忽略；但当粒径逐渐接近于原子直径时，表面原子的数目及其作用就不能忽略，而且这时晶粒的表面积、表面能和表面结合能等都发生了很大的变化，人们把由此而引起的种种特异效应通称为表面效应。因为表面原子所处的环境与内部原子不同，它周围缺少相邻的原子，有许多悬挂键，具有不饱和性，易与其他原子相结合而稳定下来，所以纳米颗粒粒径减小的结果，导致其表面积、表面原子数、表面能及表面结合能都迅速增大，使纳米颗粒呈现出很高的化学活性。物质的内部原子因为周围原子的吸引或排斥，总是保持在平衡状态。但是，表面原子却处于只有内部原子向内吸引的状态。这意味着表面原子与内部原子相比处于较高的能量状态。这一多余能量分配给单位面积的量就叫作表面能（J/m2,erg/cm2）。思考题：假定一种颗粒是球形颗粒，根据比表面积如何计算粒径（直径）？比表面积一般用BET法通过氮等温吸附来测定，材料学院有一台美国康塔的Autosorb-1mp。XRD是按晶体对X射线衍射的几何原理设计制造的衍射实验仪器。在测试的过程中，由X射线管发射的