1、块体铁材料：银块体铁材料：银白色、金属光泽、白色、金属光泽、导体、铁磁性导体、铁磁性铁纳米相材料：无金铁纳米相材料：无金属光泽、黑色、矫顽属光泽、黑色、矫顽力增大、电阻增大力增大、电阻增大铁磁性消失（超铁磁性消失（超顺磁性）绝缘体顺磁性）绝缘体从量变到质变物质尺寸的不断减小导致其特性发生根本性变化纳米材料的四种基本效应纳米材料的四种基本效应 在纳米尺度上科学家们观察到纳米粒子在化学和物理性质上出现奇异的特性。How special it is ?特殊的光学性质特殊的光学性质特殊的电学性质特殊的电学性质特殊的力学性质特殊的力学性质特殊的热学性质特殊的热学性质特殊的磁学性质特殊的磁学性质特殊的化学
2、性质特殊的化学性质Why is it special ?结构决定性质！性质决定现象！ 纳米效应表面效应 宏观量子 隧道效应小尺寸效应量子尺寸效应一、量一、量 子子 尺尺 寸寸 效效 应应1234NN能带能带： N 较少时，形成分立的能级，N 足够大时，形成能带 Eg 3eV Eg 5eV导体导体半导体半导体绝缘体绝缘体在金属中最高占有电子的能级为在金属中最高占有电子的能级为： E最大最大 = h2(3n)2/3 / 8m 2/3 (0K)n 为 价 电 子 密 度为 价 电 子 密 度 ：10221023/cm3，m为电子质为电子质量量10-27gEF：费米能费米能费米能级费米能级：基态下：基
3、态下(0K)(0K)最高的被充满的能级。最高的被充满的能级。EF称为费米能级，对应于电子占有几率等于1/2 时的能量T =0K 和和T 0K 的费的费米狄拉克分布函数米狄拉克分布函数 当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近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的电子能级由准连续准连续变为变为离散能级离散能级的现象；纳米半导的现象；纳米半导体的体的最高被占据分子轨道最高被占据分子轨道(HOMO) (HOMO) 和和最低未被占据分子最低未被占据分子轨道能级轨道能级(LUMO )(LUMO )由由准连续准连续变为变为离散能级离散能级，同时，同时能隙变能隙变宽宽的现象，称为的现象，
4、称为量子尺寸效应量子尺寸效应 。导带导带价带价带 以金属以金属Ag为例，计算一下在为例，计算一下在T =1K时出现量子尺寸效应时出现量子尺寸效应的的临界粒径临界粒径。 Ag 的电子密度的电子密度 n = 6x1022/cm3,当当 kBT 时出现量子尺寸效时出现量子尺寸效应，此时从金属变为绝缘体。由久保公式可得：应，此时从金属变为绝缘体。由久保公式可得：d=14nm。即当粒径小于14nm时，银纳米颗粒呈现量子尺寸效应量子尺寸效应，反映在电学性质上的显著变化，变为绝缘体.根据久保理论，当纳米颗粒为球形时，有：即随粒径的减小，能级间隔增大即随粒径的减小，能级间隔增大1.1. 导体向绝缘体的转变导体
5、向绝缘体的转变2. 2. 吸收光谱的兰移现象吸收光谱的兰移现象3. 3. 磁矩的大小和颗粒中电子是奇磁矩的大小和颗粒中电子是奇数还是偶数有关数还是偶数有关4. 4. 纳米颗粒的发光现象纳米颗粒的发光现象当当 大于热能大于热能kBT、磁能磁能、净磁能净磁能、静电能静电能、光子能光子能量量或或超导态的凝聚能超导态的凝聚能时，必须要考虑量子尺寸效应时，必须要考虑量子尺寸效应量子尺寸效应影响量子尺寸效应影响二、表（界）面 效 应 比表面积与材料尺寸的关系 微粒尺寸比表面积10 nm90m2/g5 nm180m2/g2 nm450m2/g倍2倍02040608010001020304050粒径（nm）表
6、面原子数相对于总原子数比例（%）10nm，表面原子，表面原子20%2nm， 表面原子表面原子50% 1 nm，表面原子，表面原子99%表面原子 26/27表面原子 98/125教育部顧問室奈米科技人才培育計畫粒径越小，表面原子所占比例越高表面原子的效表面原子的效应应原子配位原子配位( (coordination)coordination)不足不足高表面能高表面能直径小于100nm的微粒之表面效应不可忽略1 1 、熔、熔 点点 显显 著著 降降 低低 与常规粉体材料相比，纳米粒子的表面能高，表面原子数多，与常规粉体材料相比，纳米粒子的表面能高，表面原子数多，这些表面原子近邻配位不全，活性大，因此
7、，其熔化时所需增这些表面原子近邻配位不全，活性大，因此，其熔化时所需增加的内能小得多，这就使得纳米粒子熔点急剧下降。加的内能小得多，这就使得纳米粒子熔点急剧下降。 银的熔点：960.5oC ；银纳米粒子在低于100oC 开始熔化。 铅的熔点：327.4oC ；20nm 球形铅粒子熔点为39oC。 铜的熔点：1053oC ；粒径为40nm 的铜粒子，550oC 。 所谓所谓烧结温度烧结温度是在低于熔点的温度下使粉末烧结成接近是在低于熔点的温度下使粉末烧结成接近常规材料的常规材料的最低温度最低温度。纳米粒子尺寸小，表面能高，压制成。纳米粒子尺寸小，表面能高，压制成块材后的界面具有高能量，在烧结中高
8、的界面能成为原子运块材后的界面具有高能量，在烧结中高的界面能成为原子运动的动的驱动力驱动力，有利于界面附近的原子扩散。因此，在较低温，有利于界面附近的原子扩散。因此，在较低温度下烧结就能达到致密化目的。度下烧结就能达到致密化目的。 常规Al2O3的烧结温度为2073 2173K ，在一定条件下，纳米Al2O3可在1423 1773K 烧结，致密度达99.7 。常规Si3N4 的烧结温度高于2273K, 纳米Si3N4的烧结温度降低673 773K 。 超细银粉制成的导电浆料可以进行低温烧结，此时元件的基片不必采用耐高温的陶瓷材料，甚至可用塑料。 熔点降低熔点降低 烧结温度降低烧结温度降低 晶化
9、温度降低晶化温度降低 表面化学反应活性表面化学反应活性 催化活性催化活性 纳米材料的（不）稳定性纳米材料的（不）稳定性 铁磁质的居里温度降低铁磁质的居里温度降低 纳米材料的超塑性和超延展性纳米材料的超塑性和超延展性 介电材料的高介电常数（界面极化）介电材料的高介电常数（界面极化）表（界）面效应的主要影响表（界）面效应的主要影响三、小尺寸效应（小体积效应） 随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒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。由于性质的质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化质的变化称为称为小尺寸效应小尺寸效应。 当超细颗粒的尺寸与
10、当超细颗粒的尺寸与光波波长光波波长、德布罗德布罗意波长意波长、以及、以及超导态的相干长度超导态的相干长度或或透射深度透射深度等等物理特征尺寸相当或更小时物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性晶体周期性的边界条件将被破坏；非晶态纳米颗粒的颗的边界条件将被破坏；非晶态纳米颗粒的颗粒表面层附近原子密度减小，导致声、光、粒表面层附近原子密度减小，导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现新的小尺寸效电、磁、热、力学等特性呈现新的小尺寸效应。应。 金属纳米相材料的电阻增大与临界尺寸现象（电子平均自金属纳米相材料的电阻增大与临界尺寸现象（电子平均自由程）由程） 超导超导相向正常相的转变（超导相干长度？）相向正常
11、相的转变（超导相干长度？） 宽宽频带强吸收性质（光波波长）频带强吸收性质（光波波长） 激子增强吸收现象（激子半径）激子增强吸收现象（激子半径） 磁有序态向磁无序态的转变（磁有序态向磁无序态的转变（超顺磁性超顺磁性）（各向异性能）（各向异性能） 超导相向正常相的转变（超导相干长度？）超导相向正常相的转变（超导相干长度？） 磁性纳米颗粒的高矫顽力（单畴临界尺寸）磁性纳米颗粒的高矫顽力（单畴临界尺寸） 吸收光谱的红移现象吸收光谱的红移现象小尺寸效应的主要影响小尺寸效应的主要影响 纳米微晶界面的原子结构取决于相邻晶体的相对取向及边界的倾角。如果晶体取向是随机的，则纳米固体物质的所有晶粒间界将具有不同的
12、原子结构，这些原子结构可由不同的原子间距加以区分。如图所示，不同的原子间距由晶界A,B内的箭头表示。纳米纳米晶晶界面的结构界面的结构小尺寸效应的影响小尺寸效应的影响 纳米非晶结构材料与纳米微晶不同，它的颗粒组元是短程有序的非晶态。界面组元的原子排列是比颗粒组元内原子排列更混乱，总体来说，他是一种无序程度更高的纳米材料。小尺寸效应的影响小尺寸效应的影响纳米晶体纳米晶体 大量晶界大量晶界晶界原子多晶界原子多 自由能高自由能高 稳定性差稳定性差晶粒尺寸/nm晶界原子百分数/55010（晶界宽1）25 晶粒易长大或团聚， 原子扩散速率高 异质原子在晶界的偏析明显增多 纳米材料密度降低小尺寸效应的影响小
13、尺寸效应的影响纳米材料的晶界与晶粒纳米材料晶界纳米材料中晶界的体积分数远大于常规材料纳米材料晶界是构成纳米材料的一个重要组元，不仅仅使一种缺陷。纳米材料中晶界的体积分数的估算：纳米材料中晶界的体积分数的估算： 3 / (d + ) 晶界厚度，通常为晶界厚度，通常为23个原子间距；个原子间距； d 晶粒直径；晶粒直径；小尺寸效应的影响小尺寸效应的影响纳米材料的晶界与晶粒纳米材料中晶界的原子结构特点： 晶界有大量未被原子占据的位置或空间； 低配位数和密度； 大的原子间距； 有三叉晶界（三叉线，旋错）小尺寸效应的影响小尺寸效应的影响纳米材料的晶界与晶粒 晶粒易长大或团聚晶界颗粒界面自由能高通过晶粒长
14、大通过颗粒团聚降低系统总能量，增稳定性防止纳米晶粒长大的方法 退火，控制异质原子在晶界的偏析。纳米纳米Pd 退火，界面附近原子重组，能保持晶粒大小，降低晶界能退火，界面附近原子重组，能保持晶粒大小，降低晶界能50。异质原子与基体原子半径差异质原子与基体原子半径差 12，结构熵增加使晶界自由能减小到接，结构熵增加使晶界自由能减小到接近晶粒自由能。如近晶粒自由能。如 Cu 偏析到偏析到 Fe-Cu 合金晶界抑制纳米相晶长大。合金晶界抑制纳米相晶长大。防止纳米颗粒团聚的方法 选择合成方法，表面改性抑制长大团聚表面自组装单层，表面接枝，表面吸附等表面自组装单层，表面接枝，表面吸附等小尺寸效应的影响小尺
15、寸效应的影响纳米材料的晶界与晶粒 纳米材料中原子扩散速率扩散形式纳米晶体中，晶界比例（体积分数）大，晶界扩散可占优势。因其扩散活纳米晶体中，晶界比例（体积分数）大，晶界扩散可占优势。因其扩散活化能很低。有时近于沿表面扩散能。化能很低。有时近于沿表面扩散能。沿自由表面：扩散系数最大沿 晶 格：扩散系数最小沿 晶 界：扩散系数介于上二者之间171931182134202440纳米晶、普通多晶和单晶纳米晶、普通多晶和单晶Cu的自扩散系数的自扩散系数 (m2/s)小尺寸效应的影响小尺寸效应的影响纳米材料的晶界与晶粒 异质元素在晶界的偏析增强室温，Bi 在 Cu中溶解度 104，在 8nm Cu多晶中为
16、 4，且部分或大部分 Bi 原子位于晶界。化学方面：表面能和表面形貌重要，这也与材料尺寸密切相化学方面：表面能和表面形貌重要，这也与材料尺寸密切相关。关。一般，尺寸越小，比表面积越大，比表面能（以及总表面能一般，尺寸越小，比表面积越大，比表面能（以及总表面能及系统总能量）越高，表面反应活性越强。及系统总能量）越高，表面反应活性越强。小尺寸效应的影响小尺寸效应的影响纳米材料的晶界与晶粒纳米晶粒：热力学不稳定，晶粒越小越是热力学不稳定。动力学：纳米晶尺寸长大速率可用动力学：纳米晶尺寸长大速率可用Arihenius 经验方程：经验方程：k- 速率常数；速率常数；Q- 晶粒等温长大的晶粒等温长大的活化
17、能或称激活热焓；活化能或称激活热焓；R- 气体常气体常数；数；k0- 与与T物无关的常数物无关的常数 RTQexpkk0当晶粒小于某一临界尺寸，自由能大于其非晶态的自由能，则纳米晶转为非晶态。小尺寸效应的影响小尺寸效应的影响1 1、金属纳米相材料的电阻增大与临界尺寸现象金属纳米相材料的电阻增大与临界尺寸现象一般对电子的散射可分为一般对电子的散射可分为颗粒颗粒( (晶内晶内) )散射贡献散射贡献和和界面界面( (晶界晶界) )散散射贡献射贡献两部分：常规粗晶材料以两部分：常规粗晶材料以晶内散射为主晶内散射为主，当颗粒尺寸与，当颗粒尺寸与电子的平均自由程相当时，电子的平均自由程相当时，界面对电子的
18、散射界面对电子的散射有明显的作用。有明显的作用。粒子直径粒子直径d电子平均自由程电子平均自由程小尺寸效应的影响小尺寸效应的影响（1 1）纳米晶材料存在大量的晶界，使得）纳米晶材料存在大量的晶界，使得界面对电子散射非界面对电子散射非常强常强，导致，导致电阻升高电阻升高。晶界原子排列越混乱，晶界厚度越大，。晶界原子排列越混乱，晶界厚度越大，对电子散射能力就越强，对电子散射能力就越强，归因于小尺寸效应。归因于小尺寸效应。电阻和电阻温度系数与晶粒尺寸的关系电阻和电阻温度系数与晶粒尺寸的关系（2 2）当大于电子平均自由程时，晶内散射贡献占优势。电）当大于电子平均自由程时，晶内散射贡献占优势。电阻温度系数
19、阻温度系数接近接近常规粗晶材料。常规粗晶材料。 当小于电子平均自由程时，界面散射起主导作用，这时当小于电子平均自由程时，界面散射起主导作用，这时电阻温度系数的变化都明显地偏离粗晶情况，电阻温度系数的变化都明显地偏离粗晶情况，甚至出现反常甚至出现反常现象现象。例如，电阻温度系数变。例如，电阻温度系数变负值负值归因于小尺寸效应归因于小尺寸效应小尺寸效应的影响小尺寸效应的影响 特殊的电学性质特殊的电学性质纳米晶金属电阻温度系数变纳米晶金属电阻温度系数变负值负值也可用界面电子散射占主导也可用界面电子散射占主导地位加以解释。地位加以解释。小尺寸效应的影响小尺寸效应的影响（1 1）金属）金属（4 4）纳米
20、晶纳米晶金属金属界面散射谁起主导作用？界面散射谁起主导作用？（2 2）半导体）半导体（3 3）导电高分子复合材料）导电高分子复合材料小尺寸效应的影响小尺寸效应的影响 库伯对：两个电子形成库伯对。库伯对：两个电子形成库伯对。 一对一对自旋动量相反自旋动量相反的电子通过的电子通过晶格相互作用晶格相互作用(声子声子)结成对，如果胜过排斥的库仑作用，则结成对，如果胜过排斥的库仑作用，则为吸引作用，两电子的能量差越小，这个吸引为吸引作用，两电子的能量差越小，这个吸引作用越强，在费米能级附近，作用越强，在费米能级附近，大于或等于声子大于或等于声子能量范围的那些能级上的电子通过能量范围的那些能级上的电子通过
21、声子作用声子作用而而相互吸引，相互吸引，束缚在一起，像双子星运动一样，束缚在一起，像双子星运动一样，称之为库伯对。称之为库伯对。 拆开它们是需要能量的，拆开它们是需要能量的，高强度的电场和磁场高强度的电场和磁场都能使之拆开而由都能使之拆开而由超导态超导态进入进入正常态正常态。小尺寸效应的影响小尺寸效应的影响纳米固体材料的磁学性能 常规晶体的磁结构由许多磁畴构成，畴间由畴壁隔开，磁化是通过畴壁运动来实现。 纳米晶磁结构有不同的特点： （1）每个纳米晶粒一般为一个单一的铁磁畴 （2）相邻晶粒的磁化由晶粒的各向异性和晶粒间磁交互作用。 纳米晶中晶粒的取向是混乱的，且晶粒磁化的各向异性，使得磁化交互作
22、用仅限于几个晶粒的范围内。小尺寸效应的影响小尺寸效应的影响 现代科学认为物质的磁性来源于组成物质中原子的磁性1 原子中外层电子的轨道磁矩2 电子的自旋磁矩3 原子核的核磁矩 原子的总磁矩应是按照原子结构和量子力学规律将原子中各个电子的轨道磁矩和自旋磁矩相加起来的合磁矩总的来说，组成宏观物质的原子有两类： 一类原子中的电子数为偶数，即电子成对地存在于原子中。这些成对电子的自旋磁矩和轨道磁矩方向相反而互相抵消，使原子中的电子总磁矩为零，整个原子就好像没有磁矩一样，习惯上称他们为非磁原子。 另一类原子中的电子数为奇数，或者虽为偶数但其磁矩由于一些特殊原因而没有完全抵消使原子中电子的总磁矩（有时叫净磁
23、矩，剩余磁矩）不为零，带有电子剩余磁矩的原子称作磁性原子。磁学性能磁学性能 超顺磁性纳米微粒尺寸小到一定临界值时进入超顺磁状态原因：在小尺寸下，当各向异性能减小到与热运动能可相比拟时，磁化方向就不再固定在一个易磁化方向，易磁化方向作无规律的变化，导致超顺磁性的出现。矫顽力矫顽力纳米微粒尺寸高于超顺磁临界尺寸时通常呈现高的矫顽力HC居里温度T与原子构型和间距有关. 粒子尺寸减小, 居里温度下降.。利用磁性超微颗粒具有利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性高矫顽力的特性，已作成高贮，已作成高贮存密度的磁记录磁粉，用于磁带、磁盘、磁卡以及磁存密度的磁记录磁粉，用于磁带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙等。性钥匙等
24、。利用利用超顺磁性超顺磁性，人们已将磁性超微颗粒制成用途广泛，人们已将磁性超微颗粒制成用途广泛的磁性液体。的磁性液体。 特殊的磁性质特殊的磁性质49120yKd 120HHKd 小尺寸效应小尺寸效应 表面效应表面效应50 y or Hvd -1/2 y or Hvd -1/2小尺寸效应小尺寸效应小尺寸效应小尺寸效应 表面效应表面效应51dc -1/2 y or Hvd -1/2dc -1/2 y or Hvd -1/2BA y or Hvd -1/2小尺寸效应小尺寸效应小尺寸效应小尺寸效应 表面效应表面效应52粗晶材料的塑性随着晶粒的粗晶材料的塑性随着晶粒的减小而增大减小而增大;对于纳米固体材
25、料，笼统地对于纳米固体材料，笼统地说其塑性相对于粗晶材料相说其塑性相对于粗晶材料相比有很大改善，并不准确，比有很大改善，并不准确，这与具体的材料及加载方式这与具体的材料及加载方式密切相关；密切相关；试验表明绝大多数纳米晶体试验表明绝大多数纳米晶体材料的塑性很小；且随晶粒材料的塑性很小；且随晶粒尺寸的减小而减小；原因在尺寸的减小而减小；原因在于缺陷的增多；于缺陷的增多；将晶粒细化至纳米量级，通常将晶粒细化至纳米量级，通常几乎不能变形的陶瓷或金属间几乎不能变形的陶瓷或金属间化合物（如化合物（如CaF2和和TiO2）表现）表现出较大的塑性甚至超塑性。出较大的塑性甚至超塑性。小尺寸效应小尺寸效应小尺寸
26、效应小尺寸效应 表面效应表面效应53小尺寸效应小尺寸效应小尺寸效应小尺寸效应 表面效应表面效应热学性能低于 常规粉体 熔点熔点开始烧结温度开始烧结温度晶化温度晶化温度颗粒小表面能高熔化时所需增加的内能小得多小尺寸效应小尺寸效应 表面效应表面效应 压制成块材后的界面具有高能量，在烧结中高的界面能成为原子运动的驱动力，有利于界面中的孔洞收缩。 在较低的温度下烧结就能达到致密化的目的。热学性能小尺寸效应小尺寸效应 表面效应表面效应56小尺寸效应小尺寸效应小尺寸效应小尺寸效应 表面效应表面效应57 小尺寸效应小尺寸效应小尺寸效应小尺寸效应 表面效应表面效应58小尺寸效应小尺寸效应小尺寸效应小尺寸效应
27、表面效应表面效应 陶瓷材料在通常情况下呈脆性，然而由纳米超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。微颗粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性。因为纳米材料具有大的界面，界面的原子排列是相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，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。料具有新奇的力学性质。小尺寸效应小尺寸效应小尺寸效应小尺寸效应 表面效应表面效应 美国学者报道氟化钙纳米材料在室温下可以大美国学
28、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。呈纳米晶粒的金属要比传统的幅度弯曲而不断裂。呈纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬粗晶粒金属硬3 35 5倍。至于金属一陶瓷等复合纳米倍。至于金属一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，其材料则可在更大的范围内改变材料的力学性质，其应用前景十分宽广。应用前景十分宽广。研究表明，人的牙齿之所以具有很高的强度，是研究表明，人的牙齿之所以具有很高的强度，是因为它是由磷酸钙等纳米材料构成的。因为它是由磷酸钙等纳米材料构成的。小尺寸效应小尺寸效应小尺寸效应小尺寸效应 表面效应表面效应 当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，即失去了当黄金
29、被细分到小于光波波长的尺寸时，即失去了原有的富贵光泽而呈黑色。事实上，所有的金属在超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。白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。 金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于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
30、。此外又有可能应用于红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。外敏感元件、红外隐身技术等。小尺寸效应小尺寸效应尺寸不同的纳米粒子对光的散射尺寸不同的纳米粒子对光的散射和吸收不同，导致其颜色的改变和吸收不同，导致其颜色的改变小尺寸效应小尺寸效应 当尺寸减小到纳米级时，各种金属纳米粒子几乎当尺寸减小到纳米级时，各种金属纳米粒子几乎都呈黑色，都呈黑色，尺寸越小，颜色愈黑。当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，即失去了原有的富贵光泽而呈黑色，银白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。 大块金属具有不同的金属光泽，表明它们对可见大块金属具有不同的金属光泽，表明它们对可见
31、光中各种波长的光的反射和吸收能力不同。光中各种波长的光的反射和吸收能力不同。小尺寸效应小尺寸效应由于纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波长，因此纳由于纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波长，因此纳米微粒材料对这种波的米微粒材料对这种波的比常规材料比常规材料，这就大大减少波的反射率，使得红外探测器和雷达接这就大大减少波的反射率，使得红外探测器和雷达接收到的反射信号变得很微弱，从而达到隐身的作用收到的反射信号变得很微弱，从而达到隐身的作用（当微粒的直径小于可见光波长时，散射强度和波长的4次方成反比，）纳米微粒材料的比表面积比常规粗粉大纳米微粒材料的比表面积比常规粗粉大3 34 4个数量级，个数量级，对红外
32、光和电磁波的对红外光和电磁波的也比常规材料也比常规材料大得多大得多，这，这也就使得红外探测器及雷达得到的反射信号强度大大也就使得红外探测器及雷达得到的反射信号强度大大降低，因此很难发现被探测目标，起到了隐身作用。降低，因此很难发现被探测目标，起到了隐身作用。小尺寸效应小尺寸效应美国美国F117F117隐形轰炸机机隐形轰炸机机美国B2隐形轰炸机1991年春的海湾战争，美国F117A型隐身战斗机外表所包覆的材料中就包含有多种纳米超微颗粒，它们对不同波段的电磁波有强烈的吸收能力，以欺骗雷达，达到隐形目的，成功地实现了对伊拉克重要军事目标的打击。小尺寸效应小尺寸效应电子具有粒子性又具有波动性，因此存在
33、隧道效应。近年来，电子具有粒子性又具有波动性，因此存在隧道效应。近年来，人们发现一些人们发现一些宏观物理量宏观物理量，如微颗粒的，如微颗粒的磁化强度磁化强度、量子相干、量子相干器件中的器件中的磁通量磁通量等亦显示出等亦显示出隧道效应隧道效应，称之为，称之为宏观量子隧道宏观量子隧道效应效应。古典力学古典力学与与量子力学量子力学的鲜明对比的鲜明对比量子尺寸效应量子尺寸效应、宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应将会是未来微电子、光电将会是未来微电子、光电子器件的基础，或者它确立了现存子器件的基础，或者它确立了现存微电子器件进一步微型化微电子器件进一步微型化的极限的极限，当微电子器件进一步微型化时必须要考
34、虑上述的量，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子效应。例如，在制造半导体集成电路时，当电路的尺寸接例如，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法正常工作，经典电路的极限尺寸大概在0.250.25微米。目前微米。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器件。 量子限域量子限域 激子吸收带激子吸收带激子是由电子和空穴的库仑相互吸引而形成的束缚态。激子形激子是由电子和空穴的库
35、仑相互吸引而形成的束缚态。激子形成后，电子和空穴作为一个整体在晶格中运动。在能带模型中成后，电子和空穴作为一个整体在晶格中运动。在能带模型中的的 激子能级位于禁带内激子能级位于禁带内。当入射光的能量小于禁带宽度当入射光的能量小于禁带宽度（Eg ）时，不能直接产生自）时，不能直接产生自由的电子和空穴，而有可能由的电子和空穴，而有可能 小尺寸效应小尺寸效应 当半导体纳米粒子的当半导体纳米粒子的粒径粒径 r e/C。CeReEc28202QVU21 通常，库仑堵塞和量子遂穿堵塞和量子遂穿必须在极低的温度下观察： 即： 只有当热运动能KBT小于库仑堵塞能，才能观察到库仑堵塞效应和量子隧道效应（电子由一
36、个粒子跃到另一个小导体）。 明显可以看出：体积尺寸越小， C越小， Ec(e2/2C)越大，允许观察的温度T就越高。TkReEcB028 当粒子尺寸为当粒子尺寸为1 nm时，时， kBT Ec可在室温时观可在室温时观察。而十几纳米的粒子观察必须在察。而十几纳米的粒子观察必须在液氮温度。 1 nm时，时，Ec=210-19焦耳焦耳 (代入代入0=8.8510-12F/m; e=1.60210-19库仑；库仑； kB=1.3810-23J/K) 常温下：常温下：kBT =1.3810-23300=410-21焦耳焦耳 明显：明显：kBT kBT 100 nm时，Ec=210-21焦耳 or 1 C
37、oulomb BlockadeVR1C1 R2C2e/Ce/RC 换句话说，库仑堵塞能是前一个电子对后一个换句话说，库仑堵塞能是前一个电子对后一个电子的库仑排斥能，这就导致了对一个小体系的充电子的库仑排斥能，这就导致了对一个小体系的充放电过程，电子不能集体传输，而是一个一个单电放电过程，电子不能集体传输，而是一个一个单电子的传输通常把子的传输通常把有人已作了估计，如果量子点的尺寸为有人已作了估计，如果量子点的尺寸为1nm左右，左右，我们可以在室温下观察到上述效应当量子点尺寸我们可以在室温下观察到上述效应当量子点尺寸在十几纳米范围，观察上述效应必须在液氮温度在十几纳米范围，观察上述效应必须在液氮
38、温度下原因很容易理解，体系的尺寸越小，电容下原因很容易理解，体系的尺寸越小，电容 C越越小，小， e2/2C就越大，这就允许我们在较高温度下进行就越大，这就允许我们在较高温度下进行观察观察量子效应量子效应 小尺寸效应小尺寸效应单电子隧穿效应单电子隧穿效应是单电是单电子器件的物理基础子器件的物理基础当纳米颗粒通过非常薄的绝缘层与电路连接当纳米颗粒通过非常薄的绝缘层与电路连接, ,在一定条件在一定条件下充放电时，电子不能集体传输，而是一个一个的传输下充放电时，电子不能集体传输，而是一个一个的传输利用库仑堵塞和量子隧利用库仑堵塞和量子隧穿效应可以设计下一代穿效应可以设计下一代的纳米结构器件，如单的纳米结构器件，如单电子晶体管和量子开关电子晶体管和量子开关等。等。 关键：如何分析和判断纳米效应的种类？
