纳米微粒的物理特性.ppt

1、在2020年8月9日，1，纳米颗粒具有大的表面积，表面原子的数量，表面能和表面张力随着颗粒尺寸的减小而急剧增加。小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应导致纳米粒子的热、磁、光、敏感特性和表面稳定性不同于常规粒子，具有广阔的应用前景。在第四章中，纳米颗粒的物理性质，8/9/2020，2，4.1的热性质，纳米颗粒的熔点，烧结温度和结晶温度都远低于常规粉末。由于粒子小，纳米粒子的表面能高，比表面原子的数量多，这些表面原子的配位不完全，活性大，而且纳米粒子的体积远小于块体材料，所以纳米粒子的熔点急剧下降。8/9/2020，3，大Pb mp=600K d=d10nm Pb粒子mp=288K

2、 nm Ag mp=373K常规Ag mp=1173K，例如，8/9/2020，4，Wronskt计算了Au粒子的粒度与mp之间的关系，结果如图所示。当D3-5纳米时，熔点开始急剧下降。2020年9月8日。所谓的烧结温度是指粉末在高压下压制成型，然后这些粉末在低于熔点的温度下结合成块，密度接近传统材料的最低加热温度。烧结温度：8/9/2020，6。纳米粒子体积小，表面能高。被压入块后的界面具有高能量。高界面可以成为烧结过程中原子运动的驱动力，有利于界面空穴的收缩和空位团的湮灭。因此，在较低温度下烧结可以达到致密化的目的，即降低烧结温度。2020年9月8日。在一定条件下，1423K时纳米Al2O

3、3的烧结密度可达99.7%。常规Si3N4的烧结温度高于2273K，纳米Si3N4的烧结温度降低了673K，如8/9/2020，8。纳米二氧化钛在773K加热时明显致密，但晶粒尺寸仅略有增加，因此在873K烧结时可达到相近的硬度例如，2020年8月9日，9，无定形氮化硅在1793K结晶。纳米非晶氮化硅在1673K下加热4h，全部转化为非晶氮化硅。纳米颗粒生长的初始温度随着颗粒尺寸的减小而降低。无定形纳米粒子的结晶温度低于常规粉末的结晶温度，8/9/2020，10。从图中可以看出，粒径为8纳米、15纳米和35纳米的Al2O3颗粒的起始温度分别为1073千、1273千、1423千和1423千。1，

4、8纳米；2.15纳米；3，35 nm，8/9/2020，11，4.2纳米颗粒的磁性、小尺寸效应、量子尺寸效应和表面效应使其具有常规颗粒材料所不具有的磁性，可概括如下：8/9/2020，12，顺磁性体：指磁化率为小正数的物体，它与温度成正比。T=0C/t0 :真空磁导率=4x10-7heng /m C:常数，超顺磁性，8 这种固体的磁化率是一个非常大的正数，即使在某一临界温度Tc以下没有外磁场，材料中也会出现自发磁化，并且在温度高于Tc时会变成顺磁性。 磁化率遵循居里韦斯定律：=0C/(T-Tc) C:常数Tc:居里温度0=410-7亨利/米真空磁导率，铁磁体：8/9/2020，14。我们知道铁

5、、Fe3O4和-Fe2O3都是铁磁体，当它们的粒径达到一定的临界值时，它们就进入超顺磁性状态。磁化强度Mp可以用朗之万公式来描述。8/9/2020，15，对于H/kBT 1，Mp2/3kBT是粒子的磁矩，在居里点附近没有明显的值突变。例如，d=85 nm的镍颗粒具有高矫顽力Hc，并遵循居里韦斯定律。D=15nm纳米镍颗粒Hc0，表明它们已经进入超顺磁性状态。8/9/2020，16，Hc与镍颗粒粒径D的关系曲线，8/9/2020，17，图3.9粒径为85纳米、13纳米和9纳米的镍的伏安曲线是与交流磁化率有关的检测电信号。有可能，8/9/2020，18，超顺磁性状态的起源可归因于以下原因：在小尺寸

6、中，当各向异性能量减小到与热运动能量相当时，磁化方向不再固定在一个磁化方向上，并且易磁化方向不规则地变化，导致超顺磁性。不同种类的纳米磁性粒子表现出不同的超顺磁性临界尺寸。矫顽力：当纳米粒子的尺寸高于超顺磁性的临界尺寸时，它通常表现出高矫顽力Hc。例如，铁纳米粒子是通过惰性气体的蒸发和冷凝制备的，矫顽力随着颗粒尺寸的减小而显著增加，这可以用矫顽力与颗粒尺寸和温度之间的关系来解释。2020年9月8日。从图中可以看出，粒径为16纳米的铁颗粒的Hc在5.5K时达到1.27105A/m，在室温下达到7.96104A/m。而铁块的矫顽力低于79.62A/m.在5.5K、100K下测得的Hc均随d的降低而

7、增加。Hc随着温度的升高而降低。8/9/2020，21，纳米铁钴的Hc为1.64103 A/m。这主要是因为当颗粒尺寸小到一定尺寸时，每个颗粒都是单个磁畴。例如，Fe和Fe3O4的单个磁畴的临界尺寸分别为12纳米和40纳米，并且每个单个磁畴的纳米粒子实际上变成了永磁体。为了使这个磁铁的磁化反转，每个粒子的磁矩必须反转，这需要一个大的反转磁场，也就是说，一个高矫顽力。居里温度Tc是材料磁性的一个重要参数，它通常与交换积分Je成正比，并与原子构型和间距有关。对于薄膜，理论和实验研究表明，居里温度随着铁磁薄膜厚度的减小而降低。至于纳米粒子，由于小尺寸效应和表面效应，它们的磁性能发生变化，并且它们具有

8、较低的居里温度，8/9/2020，23，磁化率。纳米粒子的磁性与其中包含的电子总数的奇偶性密切相关，每个粒子的电子可以看作一个系统。电子数的奇偶性可以是奇数或偶数。单价金属颗粒，一半称为奇数，另一半称为偶数；二价金属颗粒的尺寸称为偶数。8/9/2020、24，具有奇数或偶数个电子的粒子的磁性具有不同的温度特性。具有奇数个电子的粒子的磁化率服从居里-维斯定律，由于=C/(T-Tc)的量子尺寸效应，磁化率服从d-3定律。8/9/2020，25，纳米磁性金属的价值是常规金属的20倍。磁性纳米粒子还具有许多其他磁性。例：8纳米铁的饱和磁化强度比常规铁低40%，在电子数为偶数的系统中，KT遵循d2定律。

9、2020年8月9日，26日，纳米铁的比饱和磁化强度随着粒径的减小而减小。在15纳米以下显著降低，8/9/2020，27，4.3光学特性，纳米粒子最重要的标志之一是尺寸与物理特性量相似。例如，当纳米粒子的粒径与超导相干波长、玻尔半径和电子的德布罗意波长相同时，小粒子的量子尺寸效应非常显著。2020年9月8日。同时，大的比表面积使得原子和电子在表面状态下的行为与在小粒子中的行为非常不同。这种表面效应和量子尺寸效应对纳米粒子的光学性质有很大的影响，甚至使纳米粒子具有相同材料的宏观块体所不具备的新的光学性质。8/9/2020，29，宽带强吸收，a .纳米金属强吸收大块金属具有不同颜色的光泽，这表明它们

10、对可见光范围内的各种颜色(波长)具有不同的反射和吸收能力(我们看到反射最强的颜色)。当尺寸缩小到纳米尺度时，所有种类的金属纳米粒子几乎都是黑色的，它们对可见光的反射率极低。例如，铂纳米粒子的反射率为1%，金纳米粒子的反射率小于10%。这种对可见光的低反射率和强吸收率导致颗粒变黑。8/9/2020、30，纳米氮化硅、碳化硅和氧化铝粉末具有宽带强吸收这是因为纳米粒子的大比表面积导致平均配位数减少，不饱和键和悬挂键增加。与传统的散装材料不同，不存在单一的优选粘合振动模式，而是广泛分布的粘合振动模式。在红外光场的作用下，它们的红外吸收频率也有较宽的分布，这导致纳米粒子的红外吸收带变宽。2020年8月9

11、日，31摄氏度。强紫外线吸收。许多纳米粒子，如氧化锌、氧化铁和二氧化钛，对紫外光有很强的吸收能力。这些纳米氧化物对紫外光的吸收主要来自它们的半导体性质，即在紫外光的照射下，电子被激发吸收由价带向导带转变而产生的紫外光。2020年9月8日，32，蓝移和红移。与块体材料相比，纳米粒子的吸收带一般具有“蓝移”现象，即吸收带向短波长方向移动。红外吸收蓝移，8/9/2020，33，例：纳米碳化硅颗粒的红外吸收频率为814cm-1，块状碳化硅固体的红外吸收频率为794cm-1。与块状固体相比，纳米碳化硅颗粒的红外吸收频率蓝移20厘米-1。纳米Si3N4颗粒的红外吸收频率峰值为949cm-1，块体Si3N4

12、固体的红外吸收频率峰值为935cm-1，相对运动为14cm-1。8/9/2020，34，不同粒径硫化镉纳米粒子的吸收光谱和可见光区的吸收蓝移。从图中可以看出，随着粒径的减小(即蓝移)，吸收边向短波方向移动。8/9/2020，35，体PbS的带隙较窄，吸收带为近红外，但体PbS中激子玻尔半径较大(大于10 nm)。43 nm b=2/E2 (1/me 1/mh) me-1，mh分别是电子和空穴的有效质量，这使得观察介电常数的量子限制更容易。当它的尺寸小于3纳米时，吸收光谱转移到可见光区。(表示明显的蓝移)。8/9/2020，36，量子尺寸效应：随着粒子尺寸的减小，能隙变宽，这导致光吸收带向短波方

13、向移动。Ball等人对此蓝移现象给出了一个普遍的解释：占据分子轨道能级和未占据分子轨道能级之间的宽度(能隙)随着粒子直径的减小而增加，这是蓝移的根本原因。这个解释适用于半导体和绝缘体。对于纳米粒子吸收带的蓝移有几种解释，可以归纳为两个方面：8/9/2020，37。因为纳米粒子的尺寸很小，大的表面张力扭曲了晶格并降低了晶格常数。对纳米氧化物和氮化物颗粒的研究表明，第一和第二相邻颗粒之间的距离变短。缩短键长度导致纳米粒子的键固有振动频率增加，结果，红外吸收带向高波数移动。(化学键的振动)，表面效应，8/9/2020，38，但是在某些情况下，当颗粒尺寸减小到纳米尺度时，可以观察到与粗颗粒材料相比，光吸收带显示出“红移”现象，即吸收带移动到长波长。它们的峰位置是：3.523.25 2.952.752.15 1.951.751.13 eV NiO(纳米5484nm)3.302.932.78 2.25 1.921.721.07 eV，蓝移和红移，8/9/2020，39，因为光吸收带的位置受峰位置的影响。如果蓝移的影响大于红移的影响，则吸