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纳米材料的特点

来源:点击:4833发布时间:2015-09-21

表面效应

表面效应是指纳米微粒表面原子与总原子数之比,随粒径的变小而急剧增大后引起性质上的变化。纳米材料的颗粒尺寸小,位于表面的原子所占的体积分数很大,产生相当大的表面能。随着纳米粒尺寸的减小,比表面积急剧加大,表面原子数及比例迅速增大。由于表面原子数增多,比表面积大,使得表面原子处于“裸露”状态。周围缺少相邻的原子,原子配位数不足,存在未饱和键,导致了纳米颗粒表面存在许多缺陷,使这些表面具有很高的活性,特别容易吸附其他原子或与其他原子发生化学反应。这种表面原子的活性不但引起纳米粒子表面输运和构型的变化,同时也引起表面电子自旋、构象、电子能谱的变化。它是纳米粒子及其固体材料的最重要的效应之一。

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。对超微颗粒而言,尺寸变小,同时其比表面积亦显著增加,从而产生如下一系列新奇的性质。当超细微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,晶体的周期性的边界条件将被破坏;在非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减少, 磁性、内压、光吸收、热阻、化学活性、催化性及熔点等与普通粒子相比都有很大变化, 这就是纳米粒子的小尺寸效应。纳米材料之所以具有这些奇特的宏观结构特征, 是由于在纳米层次上, 物质的尺寸不大不小, 所包含的原子、分子数不多不少, 其运动速度不快不慢。而决定物质性质的正是这个层次的由有限分子组装起来的集合体, 而不再是传统观念上的材料性质直接决定于原子和分子。介于物质的宏观结构与微观原子、分子结构之间的层次(即小尺寸效应)对材料的物性起着决定性作用。

量子尺寸效应

当粒子尺寸下降到某一值时, 金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象,纳米半导体微粒存在不连续的最高被占分子轨道和最低未被占分子轨道能级,能隙变宽的现象均称为量子尺寸效应。当能级间距大于热能、磁能、光子能量或超导态的凝聚能时,则引起能级改变、能隙变宽, 使粒子的发射能量增加,光学吸收向短波方向移动,直观上表现为样品颜色的变化,这些必导致纳米晶体材料的光、热、磁、声、电等与常规材料有显著的不同,如特异的光催化、较高的非线性光学效应等。

量子隧道效应

量子隧道效应是从量子力学的粒子具有波粒二象性的观点出发,解释粒子能够穿越比总能量高的势垒,这是一种微观现象。微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。

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