納米材料的基本概念與性質(zhì)

關(guān)于納米材料的基本概念與性質(zhì)1.1納米材料的基本概念從尺寸概念分析：納米材料就是關(guān)于原子團(tuán)簇、納米顆粒、納米薄膜、納米碳管和納米固體材料的總稱。從特性內(nèi)涵分析：納米材料能夠體現(xiàn)尺寸效應(yīng)(小尺寸效應(yīng))和量子尺寸效應(yīng)。

第2頁,共66頁，2024年2月25日，星期天定義：僅包含幾個到數(shù)百個原子或尺度小于1nm的粒子稱為“簇”，它是介于單個原子與固態(tài)之間的原子集合體。1.1.1原子團(tuán)簇（atomiccluster）原子團(tuán)簇的形狀可以是多種多樣的，它們尚未形成規(guī)整的晶體絕大多數(shù)原子團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)不清楚，但巳知有線狀、層狀、管狀、洋蔥狀、骨架狀、球狀等等第3頁,共66頁，2024年2月25日，星期天化學(xué)分支包括：合成化學(xué)化學(xué)動力學(xué)晶體化學(xué)結(jié)構(gòu)化學(xué)原子簇化學(xué)原子團(tuán)簇研究是多學(xué)科的交叉物理學(xué)分支：原子、分子物理表面物理晶體生長非晶態(tài)其它學(xué)科：星際分子、礦巖成因、燃燒煙粒、大氣微晶等．

第4頁,共66頁，2024年2月25日，星期天國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目：“原子團(tuán)簇的物理和化學(xué)”、“團(tuán)簇組裝納米結(jié)構(gòu)的量子性質(zhì)”南京大學(xué)固體微結(jié)構(gòu)國家實(shí)驗(yàn)室團(tuán)簇物理和納米科學(xué)研究組楊先生和馮先生訪問團(tuán)簇物理研究室第5頁,共66頁，2024年2月25日，星期天一元原子團(tuán)簇包括金屬團(tuán)簇(加Nan，Nin等)和非金屬團(tuán)簇．非金屬團(tuán)簇可分為碳簇(如C60,C70等)和非碳族(如B，P，S，Si簇等)．二元原子團(tuán)簇包括InnPm，AgnSm等。多元原子團(tuán)簇有Vn(C6H6)m等．原子簇化合物是原子團(tuán)簇與其他分子以配位化學(xué)鍵結(jié)合形成的化合物原子團(tuán)簇可分為一元原子團(tuán)簇、二元原子團(tuán)簇、多元原子團(tuán)簇和原子簇化合物．第6頁,共66頁，2024年2月25日，星期天當(dāng)前能大量制備并分離的團(tuán)簇是C60(富勒烯)(富勒烯)第7頁,共66頁，2024年2月25日，星期天C60的結(jié)構(gòu)：C60(富勒烯)由60個碳原子排列而成的32面體，其中20個六邊形，12個五邊形，其直徑為0.7nm。制備C60常用的方法：采用兩個石墨碳棒在惰性氣體（He，Ar）中進(jìn)行直流電弧放電，并用圍于碳棒周圍的冷凝板收集揮發(fā)物。揮發(fā)物中除了有C60外，還含有C70，C20等其它碳團(tuán)簇?？梢圆捎盟崛苋テ渌鼒F(tuán)簇，但往往還混有C70。第8頁,共66頁，2024年2月25日，星期天

僅僅通過調(diào)節(jié)團(tuán)簇的大小，物質(zhì)特性就有極大的不同，10個鐵原子的團(tuán)簇在催化氨合成時要比17個鐵原子的團(tuán)簇效能高出1000倍。

幻數(shù)：構(gòu)成碳團(tuán)簇的原子數(shù)幻數(shù)為20，24，28，32，36，50，60，70的具有高穩(wěn)定性，其中又以C60最穩(wěn)定。第9頁,共66頁，2024年2月25日，星期天1.1.2納米微粒

定義：微粒尺寸為納米數(shù)量級，它們的尺寸大于原子團(tuán)簇，小于通常的微粒，一般尺寸為1-l00nm。也有人將它稱為超微粒子（ultra-fineparticle）日本名古屋大學(xué)上田良二教授曾經(jīng)給納米微粒下了一個定義：用電子顯微鏡(TEM)能看到的微粒稱為納米微粒。第10頁,共66頁，2024年2月25日，星期天用途：

吸波隱身材料、防輻射材料、單晶硅和精密光學(xué)器件拋光材料、電池電極材料、太陽能電池材料、高效催化劑、高效助燃劑、高韌性陶瓷材料、人體修復(fù)材料和抗癌制劑等。由于尺寸小，比表面大和量子尺寸效應(yīng)等原因，它具有不同于常規(guī)固體的新特性。第11頁,共66頁，2024年2月25日，星期天1.1.3納米粒子薄膜與納米粒子層系定義：含有納米粒子和原子團(tuán)簇的薄膜、納米尺寸厚度的薄膜、納米級第二相粒子沉積鍍層、納米粒子復(fù)合涂層或多層膜

具有特殊的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)

復(fù)合薄膜中的納米顆粒

比表面積大尺寸效應(yīng)界面效應(yīng)第12頁,共66頁，2024年2月25日，星期天(Ni-P)-納米Si3N4復(fù)合層用具有很好懸浮性能的納米Si3N4固體微粒作為鍍液的第二相粒子,通過攪拌使其懸浮在鍍液中,用電刷鍍的方法使Ni-P合金與納米Si3N4微粒共沉積于基體表面.它具有沉積速度快、鍍層硬度高和耐磨性好等優(yōu)異的性能.納米級第二相粒子沉積鍍層舉例第13頁,共66頁，2024年2月25日，星期天納米固體是由納米尺度水平的晶界、相界或位錯等缺陷的原子排列來獲得具有新原子結(jié)構(gòu)或微結(jié)構(gòu)性質(zhì)的固體。

1．1．4納米固體納米固體材料（nanostructuredmaterials）主要特征：具有巨大的顆粒間界面，如5納米顆粒所構(gòu)成的固體每立方厘米將含1019個晶界，原子的擴(kuò)散系數(shù)要比大塊材料高1014～1016倍，從而使得納米材料具有高韌性。第14頁,共66頁，2024年2月25日，星期天含有20％超微鈷顆粒的金屬陶瓷是火箭噴氣口的耐高溫材料；金屬鋁中含進(jìn)少量的陶瓷超微顆粒，可制成重量輕、強(qiáng)度高、韌性好、耐熱性強(qiáng)的新型結(jié)構(gòu)材料。超微顆粒亦有可能作為漸變（梯度）功能材料的原材料。例如，材料的耐高溫表面為陶瓷，與冷卻系統(tǒng)相接觸的一面為導(dǎo)熱性好的金屬，其間為陶瓷與金屬的復(fù)合體，使其間的成分緩慢連續(xù)地發(fā)生變化，這種材料可用于溫差達(dá)1000°C的航天飛機(jī)隔熱材料、復(fù)合納米固體材料亦是一個重要的應(yīng)用領(lǐng)域。例如：第15頁,共66頁，2024年2月25日，星期天多孔材料在多相催化、吸附與分離等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛簡介：把納米顆粒組裝成帶有一定孔道結(jié)構(gòu)的體塊多孔納米固體，則可以得到一種既保留了納米顆粒的大部分反應(yīng)活性又具有相當(dāng)力學(xué)強(qiáng)度的固體材料。這類材料與通常的多孔材料的主要區(qū)別在于：A：它的孔道壁表面由高活性的納米顆粒表面構(gòu)成，其活性更高；B：多孔納米固體的孔道壁由納米顆粒構(gòu)成，具有更高的強(qiáng)度和更好韌性。二氧化鋯多孔納米固體的制備（山東大學(xué)）

第16頁,共66頁，2024年2月25日，星期天0-0復(fù)合:不同成分、不同相或者不同種類的納米粒子復(fù)合而成的納米固體;0-3復(fù)合:把納米粒子分散到常規(guī)的三維固體中;0-2復(fù)合:把納米粒子分散到二維的薄膜材料中.

均勻彌散:納米粒子在薄膜中均勻分布；非均勻彌散：納米粒子隨機(jī)地、混亂地分散在薄膜基體中。

1.1.5納米復(fù)合材料第17頁,共66頁，2024年2月25日，星期天納米復(fù)合材料由于其優(yōu)良的綜合性能，特別是其性能的可設(shè)計性被廣泛應(yīng)用于航空航天、國防、交通、體育等領(lǐng)域，該研究方向主要包括：A：納米聚合物基復(fù)合材料B：納米碳管功能復(fù)合材料C：納米鎢銅復(fù)合材料。

第18頁,共66頁，2024年2月25日，星期天1.1.6碳納米管、納米棒、納米絲器件微小化對新型功能材料提出了更高的要求．因此，20世紀(jì)80年代以來，零維的材料取得了很大的進(jìn)展，但一維納米材料的制備與研究仍面臨著巨大的挑戰(zhàn)。自從1991年日本NEC公司飯島等發(fā)現(xiàn)納米碳管以來，立刻引起了許多科技領(lǐng)域的科學(xué)家們極大關(guān)注．

準(zhǔn)一維實(shí)心的納米材料是指在兩維方向上為納米尺度，長度比上述兩維方向上的尺度大得多，甚至為宏觀量的新型納米材料．縱橫比（長度與直徑的比率）小的稱為納米棒，縱橫比大的稱作納米絲．至今，關(guān)于納米棒與納米絲之間并沒有一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，通常把長度小于1mm的納米絲稱為納米棒，長度大于1mm的稱為納米絲線．第19頁,共66頁，2024年2月25日，星期天納米棒第20頁,共66頁，2024年2月25日，星期天因?yàn)闇?zhǔn)一維納米材料在介觀領(lǐng)域和納米器件研制方面有著重要的應(yīng)用前景：它可用作掃描隧道顯微鏡(STM)的針尖納米器件超大集成電路(ULSIC)中的連線光導(dǎo)纖維微電子學(xué)方面的微型鉆頭復(fù)合材料的增強(qiáng)劑等目前關(guān)于一維納米材料(納米管、納米絲、納米棒等)的制備研究已有大量報道。第21頁,共66頁，2024年2月25日，星期天碳納米管，是1991年由日本電鏡學(xué)家飯島教授通過高分辨電鏡發(fā)現(xiàn)的，屬碳材料家族中的新成員，為黑色粉末狀。是由類似石墨的碳原子六邊形網(wǎng)格所組成的管狀物，它一般為多層，直徑為幾納米至幾十納米，長度可達(dá)數(shù)微米甚至數(shù)毫米。

第22頁,共66頁，2024年2月25日，星期天碳納米管本身有非常完美的結(jié)構(gòu)，意味著它有好的性能。它在一維方向上的強(qiáng)度可以超過鋼絲強(qiáng)度，它還有其他材料所不具備的性能：非常好的導(dǎo)電性能、導(dǎo)熱性能和電性能。第23頁,共66頁，2024年2月25日，星期天

碳納米管尺寸盡管只有頭發(fā)絲的十萬分之一，但：

熔點(diǎn)是已知材料中最高的。

像金剛石那樣硬，卻有柔韌性，可以拉伸。

強(qiáng)度是鋼的100倍而重量只有鋼的七分之一。導(dǎo)電率是銅的1萬倍，第24頁,共66頁，2024年2月25日，星期天氮化硅納米絲納米絲

原料：Si粉和納米SiO2粉和N2

模板：碳納米管。該方法將Si粉和納米SiO2粉按一定重量比例混合，使用一雙層剛玉舟，Si和納米SiO2混合粉體放置于剛玉舟下層，將一定量的碳納米管放置于剛玉舟上層，再放入高溫爐中進(jìn)行還原和氮化，即可制備出氮化硅納米絲；特點(diǎn)：設(shè)備簡便，合成工藝簡單、純度高、成本低。采用納米碳管模板法制備氮化硅納米絲的方法申請?zhí)?專利號：200510120731(廣東工業(yè)大學(xué)

)第25頁,共66頁，2024年2月25日，星期天1.2納米微粒的基本性質(zhì)1.電子能級的不連續(xù)性-kubo理論2.量子尺寸效應(yīng)3.小尺寸效應(yīng)4.表面效應(yīng)5.宏觀量子隧道效應(yīng)在此介紹的納米微粒的基本物理效應(yīng)都是在金屬納米微粒基礎(chǔ)上建立和發(fā)展起來的．實(shí)際上，這些基本物理效應(yīng)和相應(yīng)的理論，除了適合納米微粒外，同時也適合團(tuán)簇和亞微米超微粒子第26頁,共66頁，2024年2月25日，星期天

久保(Kubo)理論是關(guān)于金屬粒子電子性質(zhì)的理論．它是由久保及其合作者提出的，以后久保和其他研究者進(jìn)一步發(fā)展了這個理論．1986年Halperin對這一理論進(jìn)行了較全面歸納，用這一理論對金屬超微粒子的量子尺寸效應(yīng)進(jìn)行了深人的分析。

久保理論是針對金屬超微顆粒費(fèi)米面附近電子能級狀態(tài)分布而提出來的，它與通常處理大塊材料費(fèi)米面附近電子態(tài)能級分布的傳統(tǒng)理論不同，有新的特點(diǎn)，這是因?yàn)楫?dāng)顆粒尺寸進(jìn)入到納米級時由于量子尺寸效應(yīng)原大塊金屬的準(zhǔn)連續(xù)能級產(chǎn)生離散現(xiàn)象．1.2.1電子能級的不連續(xù)性-kubo理論第27頁,共66頁，2024年2月25日，星期天1.2.2量子尺寸效應(yīng)微粒尺寸下降到一定值時，費(fèi)米能級附近的電子能級由準(zhǔn)連續(xù)能級變?yōu)榉至⒛芗墸@種現(xiàn)象稱為量子尺寸效應(yīng)。第28頁,共66頁，2024年2月25日，星期天

能帶理論表明，金屬費(fèi)米能級附近電子能級一般是連續(xù)的，這一點(diǎn)只有在高溫或宏觀尺寸情況下才成立．對于只有有限個導(dǎo)電電子的超微粒子來說，低溫下能級是離散的，這時必須要考慮量子尺寸效應(yīng)，這會導(dǎo)致納米微粒磁、光、聲、熱、電以及超導(dǎo)電性與宏觀特性有著顯著的不同。例如：納米微粒的比熱容、磁化率以及導(dǎo)體變絕緣體等。第29頁,共66頁，2024年2月25日，星期天1.2.3小尺寸效應(yīng)

隨著顆粒尺寸的量變，在一定條件下會引起顆粒性質(zhì)的質(zhì)變。由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質(zhì)的變化稱為小尺寸效應(yīng)。對超微顆粒而言，尺寸變小，同時其比表面積亦顯著增加，從而產(chǎn)生如下一系列新奇的性質(zhì)。

（1）特殊的光學(xué)性質(zhì)：（2）特殊的熱學(xué)性質(zhì)

（3）特殊的磁學(xué)性質(zhì)：（4）特殊的力學(xué)性質(zhì)

超微顆粒的小尺寸效應(yīng)還表現(xiàn)在超導(dǎo)電性、介電性能、聲學(xué)特性以及化學(xué)性能等方面。

第30頁,共66頁，2024年2月25日，星期天例如：A：納米微粒的熔點(diǎn)可遠(yuǎn)低于塊狀金屬，例如：2nm的金顆粒熔點(diǎn)為600K，隨粒徑增加，熔點(diǎn)迅速上升，塊狀金為1337K；納米銀粉熔點(diǎn)可降低到373K，此特性為粉末冶金工業(yè)提供了新工藝。B：可以改變顆粒尺寸，控制吸收邊的位移，制造具有一定頻寬的微波吸收納米材料，用于電磁波屏蔽、隱形飛機(jī)等。第31頁,共66頁，2024年2月25日，星期天1.2.4表面效應(yīng)納米微粒尺寸小，表面能高，位于表面的原子占相當(dāng)大的比例．左邊表格列出納米微粒尺寸與表面原子數(shù)的關(guān)系：利用表面活性，金屬超微顆?？赏蔀樾乱淮母咝Т呋瘎┖唾A氣材料以及低熔點(diǎn)材料。第32頁,共66頁，2024年2月25日，星期天隨著粒徑減小，表面原子數(shù)迅速增加．這是由于粒徑小，比表面積急劇變大所致．例如，粒徑為10nm時，比表面積為90m2／g，粒徑為5nm時，比表面積為180m2／g，粒徑下降到2nm，比表面積猛增到450m2／g．粒度高的比表面→處于表面的原子數(shù)越來越多→表面能迅速增加第33頁,共66頁，2024年2月25日，星期天第34頁,共66頁，2024年2月25日，星期天表面原子特點(diǎn)：原子配位不滿，多懸空鍵高表面能，高表面活性，使這些表面原子具有高的活性，極不穩(wěn)定，很容易與其他原子結(jié)合

例如：A：金屬的納米粒子在空氣中會燃燒

B：無機(jī)的納米粒子暴露在空氣中會吸附氣體，并與氣體進(jìn)行反應(yīng)

第35頁,共66頁，2024年2月25日，星期天如圖所示的是單一立方結(jié)構(gòu)的晶粒的二維平面圖，假定顆粒為圓形，●－位于表面的原子．○－內(nèi)部原子，顆粒尺寸為3nm，原子間距為約0.3nm，很明顯，實(shí)心圓的原子近鄰配位不完全，舉例說明納米粒子表面活性高的原因．

近鄰配位的“A“原子，像“A”這樣的表面原子極不穩(wěn)定，很快跑到“B”位置上，這些表面原子一遇見其他原子，很快結(jié)合，使其穩(wěn)定化，這就是活性高的原因。第36頁,共66頁，2024年2月25日，星期天1.2.5宏觀量子隧道效應(yīng)隧道效應(yīng)：當(dāng)微觀粒子的總能量小于勢壘高度時，該粒子仍能穿越這一勢壘。在制造半導(dǎo)體集成電路時，當(dāng)電路的尺寸接近電子波長時，電子就通過隧道效應(yīng)而溢出器件，使器件無法正常工作，經(jīng)典電路的極限尺寸大概在0.25微米。第37頁,共66頁，2024年2月25日，星期天

上述的小尺寸效應(yīng)、表面界面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)及量子隧道效應(yīng)都是納米微粒與納米固體的基本特性。它使納米微粒和納米固體呈現(xiàn)許多奇異的物理、化學(xué)性質(zhì)，出現(xiàn)一些“反?，F(xiàn)象”．例如:

金屬為導(dǎo)體，但納米金屬微粒在低溫時由于量子尺寸效應(yīng)會呈現(xiàn)電絕緣性。

眾所周知，金屬由于光反射顯現(xiàn)各種美麗的特征顏色，金屬的納米微粒光反射能力顯著下降，通?？傻陀?％，由于小尺寸和表面效應(yīng)使納米微粒對光吸收表現(xiàn)極強(qiáng)能力；小結(jié)：第38頁,共66頁，2024年2月25日，星期天1．3納米微粒的物理特性

1．3．1納米微粒的結(jié)構(gòu)與形貌

1．3．2納米微粒的熱學(xué)性質(zhì)

1．3．3納米粒子的磁學(xué)性質(zhì)

1．3．4納米微粒的光學(xué)性質(zhì)

1．3．5納米微粒分散物系的動力學(xué)性質(zhì)第39頁,共66頁，2024年2月25日，星期天1.3納米微粒的結(jié)構(gòu)與形貌

納米微粒一般為球形或類球形。圖中(a，b，c)分別為納米γ-Al2O3，TiO2和Ni的形貌可以看出，這幾種納米微粒均呈類球形．第40頁,共66頁，2024年2月25日，星期天

最近，有人用高倍超高真空的電子顯微鏡觀察納米球形粒子，結(jié)果在粒子的表面上觀察到原子臺階，微粒內(nèi)部的原子排列比較整齊。第41頁,共66頁，2024年2月25日，星期天除了球形外，納米微粒還具有各種其他形狀，這些形狀的出現(xiàn)與制備方法密切相關(guān)．例如，由氣相蒸發(fā)法合成的鉻微粒，當(dāng)鉻粒子尺寸小于20nm時，為球形并形成鏈條狀連結(jié)在一起．對于尺寸較大的粒子，α-Cr粒子的二維形態(tài)為正方形或矩形。第42頁,共66頁，2024年2月25日，星期天

鎂的納米微粒呈六角條狀或六角等軸形．

Kimoto和Nishida觀察到銀的納米微粒具有五邊形10面體形狀。第43頁,共66頁，2024年2月25日，星期天

熔點(diǎn)比較低的原因：由于顆粒小，納米微粒的表面能高、比表面原子數(shù)多，這些表面原子近鄰配位不全，活性大以及體積遠(yuǎn)小于大塊材料，納米粒子熔化時所需增加的內(nèi)能小得多，這就使得納米微粒熔點(diǎn)急劇下降．1.3.2納米微粒的熱學(xué)性能納米微粒的熔點(diǎn)、開始燒結(jié)溫度和晶化溫度均比常規(guī)粉體的低得多．第44頁,共66頁，2024年2月25日，星期天Wronski計算出Au微粒的粒徑與熔點(diǎn)的關(guān)系，結(jié)果如圖所示．由圖中可看出，當(dāng)粒徑小于10nm時，熔點(diǎn)急劇下降．例如，大塊Pb的熔點(diǎn)為600K，

20nm球形Pb微粒熔點(diǎn)降低288K；納米Ag微粒在低于373K開始熔化，常規(guī)Ag的熔點(diǎn)為1173K左右．第45頁,共66頁，2024年2月25日，星期天

所謂燒結(jié)溫度是指把粉末先用高壓壓制成形，然后在低于熔點(diǎn)的溫度下使這些粉末互相結(jié)合成塊，密度接近常規(guī)材料的最低加熱溫度。燒結(jié)溫度較低的原因：納米微粒尺寸小，表面能高，壓制成塊材后的界面具有高能量，在燒結(jié)中高的界面能成為原子運(yùn)動的驅(qū)動力，有利于界面中的孔洞收縮，因此，在較低的溫度下燒結(jié)就能達(dá)到致密化的目的，即燒結(jié)溫度降低．第46頁,共66頁，2024年2月25日，星期天例如：常規(guī)Al2O3燒結(jié)溫度在2073-2173K，在一定條件下，納米的Al2O3可在1423K至1773K燒結(jié)，致密度可達(dá)99.7％．常規(guī)Si3N4燒結(jié)溫度高于2273K，納米氮化硅燒結(jié)溫度降低673K至773K。第47頁,共66頁，2024年2月25日，星期天

納米TiO2在773K加熱呈現(xiàn)出明顯的致密化，而晶粒僅有微小的增加，致使納米微粒TiO2在比大晶粒樣品低873K的溫度下燒結(jié)就能達(dá)到類似的硬度．圖1第48頁,共66頁，2024年2月25日，星期天應(yīng)用A：超細(xì)銀粉制成的導(dǎo)電漿料可以進(jìn)行低溫?zé)Y(jié)，此時元件的基片不必采用耐高溫的陶瓷材料，甚至可用塑料。采用超細(xì)銀粉漿料，可使膜厚均勻，覆蓋面積大，既省料又具高質(zhì)量。B：超微顆粒熔點(diǎn)下降的性質(zhì)對粉末冶金工業(yè)具有一定的吸引力。例如，在鎢顆粒中附加0.1％～0.5％重量比的超微鎳顆粒后，可使燒結(jié)溫度從3000℃降低到1200～1300℃，以致可在較低的溫度下燒制成大功率半導(dǎo)體管的基片。第49頁,共66頁，2024年2月25日，星期天納米微粒的小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)等使得它具有常規(guī)粗晶粒材料所不具備的磁特性．納米微粒的主要磁特性可以歸納如下：

(1)超順磁性SuperparamagneticEffect

超順磁性是指當(dāng)磁性粒子的粒徑小于某一臨界尺寸(如Fe3O4<30nm)后,在有外加磁場存在時,表現(xiàn)出較強(qiáng)的磁性.但當(dāng)外磁場撤消時,無剩磁,不再表現(xiàn)出磁性1.3.3磁學(xué)性能

納米微粒尺寸小到一定臨界值時進(jìn)入超順磁狀態(tài)

第50頁,共66頁，2024年2月25日，星期天(2)矯頑力coercivity矯頑力：是指破壞磁體磁化狀態(tài)所需之力也就是使磁感沿磁滯回線減少至零時所需的磁場強(qiáng)度.矯頑力通常以Hc表示,它是粒子形態(tài)和尺寸的函數(shù).以磁中性狀態(tài)(H=M=B=0)為起始態(tài),當(dāng)磁狀態(tài)沿起始磁化曲線0ABC磁化到C點(diǎn)附近（如圖）時，此時磁化強(qiáng)度趨于飽和,曲線幾乎與H軸平行。將此時磁場強(qiáng)度記為Hs,磁化強(qiáng)度記為Ms。此后若減小磁場，則從某一磁場(B點(diǎn))開始,M隨H的變化偏離原先的起始磁化曲線,M的變化落后于H。當(dāng)H減小至零時,M不減小到零,而等于剩余磁化強(qiáng)度Mr。為使M減至零,需加一反向磁場,稱為矯頑力。

納米微粒尺寸高于超順磁臨界尺寸時通常呈現(xiàn)高的矯頑力Hc．見圖1.10第51頁,共66頁，2024年2月25日，星期天第52頁,共66頁，2024年2月25日，星期天(3)居里溫度

居里溫度Tc為物質(zhì)磁性的重要參數(shù)．對于薄膜，理論與實(shí)驗(yàn)研究表明，隨著鐵磁薄膜厚度的減小，居里溫度下降．對于納米微粒，由于小尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)而具有較低的居里溫度．

定義：鐵磁相和順磁相的轉(zhuǎn)變溫度。第53頁,共66頁，2024年2月25日，星期天1.3.4納米微粒的光學(xué)性質(zhì)

特殊光學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生的原因：

A：納米粒子的一個最重要的標(biāo)志是尺寸與物理的特征量相差不多，例如，當(dāng)納米粒子的粒徑與超導(dǎo)相干波長、玻爾半徑以及電子的德布羅意波長相當(dāng)時，小顆粒的量子尺寸效應(yīng)十分顯著．

B：表面效應(yīng)：大的比表面使處于表面態(tài)的原子，電子與處于小顆粒內(nèi)部的原子、電子的行為有很大的差別.第54頁,共66頁，2024年2月25日，星期天

大塊金屬具有不同顏色的光澤．這表明它們對可見光范圍各種顏色(波長)的反射和吸收能力不同；當(dāng)尺寸減小到納米級時各種金屬納米微粒幾乎都呈黑色．它們對可見光的反射率極低，例如鉑金納米粒子的反射率為1％，金納米粒子的反射率小于10％．這種對可見光低反射率．強(qiáng)吸收率導(dǎo)致粒子變黑．表面效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)對納米微粒的光學(xué)特性有很大的影響．甚至使納米微粒具有同樣材質(zhì)的宏觀大塊物體不具備的新的光學(xué)特性．主要表現(xiàn)為如下幾方面：(1)

寬頻帶強(qiáng)吸收

A：強(qiáng)吸收第55頁,共66頁，2024年2月25日，星期天

許多納米微粒，例如，ZnO，F(xiàn)e2O3和TiO2等，對紫外光有強(qiáng)吸收作用，而亞微米級的TiO2對紫外光幾乎不吸收．納米氮化硅、SiC及Al2O3粉對紅外有一個寬頻帶強(qiáng)吸收譜。原因：納米粒子大的比表面導(dǎo)致了平均配位數(shù)下降，不飽和懸鍵增多，與常規(guī)大塊材料不同，沒有一個單一的、折優(yōu)的鍵振動模式，而存在一個較寬的鍵振動模的分布，在紅外光場作用下，它們對紅外吸收的頻率也就存在一個較寬的分布，這就導(dǎo)致了納米粒子紅外吸收帶的寬化。B：寬頻帶利用納米微粒強(qiáng)吸收特性可以作為高效率的光熱、光電等轉(zhuǎn)換材料，可以高效率地將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?、電能。此外又有可能?yīng)用于紅外敏感元件、紅外隱身技術(shù)等。第56頁,共66頁，2024年2月25日，星期天(2)藍(lán)移和紅移現(xiàn)象

與大塊材料相比，納米微粒的吸收帶普遍存在“藍(lán)移”現(xiàn)象，即吸收帶移向短波長方向。例如A：納米SiC顆粒和大塊SiC固體的峰值紅外吸收頻率分別是814cm-1和794cm-1．納米SiC顆粒的紅外吸收頻率較大塊固體藍(lán)移了20cm-1．B：納米氮化硅顆粒和大塊Si3N4固體的峰值紅外吸收頻率分別是949cm-1和935cm-1，納米氮化硅顆粒的紅外吸收頻率比大塊固體藍(lán)移了14cm-1．第57頁,共66頁，2024年2月25日，星期天第58頁,共66頁，2024年2月25日，星期天在一些情況下，粒徑減小至納米級時，可以觀察到光吸收帶相對粗晶材料呈現(xiàn)“紅移”現(xiàn)象．即吸收帶移向長波長．例如在200~1400nm波長范圍：

A：單晶NiO呈現(xiàn)八個光吸收帶．它們的峰位分別為3.52，3.25，2.95，2.75，2.15，1.95和1.13eV

納米NiO(粒徑在54—84nm范圍)不呈現(xiàn)3.52eV的吸收帶，其他