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金属纳米粒子LSPR效应综述

金属纳米粒子LSPR效应综述
金属纳米粒子LSPR效应综述

纳米材料的表面界面问题

纳米材料的表面、界面问题 目录 摘要 (2) 1 纳米粒子和纳米固体的表面、界面问题 (3) 纳米微粒的表面效应 (3) 纳米固体的界面效应 (3) 纳米材料尺度效应导致的热学性能问题 (4) 纳米材料尺度效应导致的力学性能问题 (4) 纳米材料尺度效应导致的相变问题 (4) 2. 金属纳米材料的表面、界面问题 (5) 高性能铜(银)合金中的高强高导机理问题 (5) 金属复合材料的强化模型和物理机制问题 (5) 原子尺度上的Cu/X界面研究 (6) 3 纳米材料表面、界面效应的研究成果综述 (9) 参考文献 (11)

摘要 纳米材料包含纳米微粒和纳米固体两部分,纳米微粒的粒子直径与电子的德布罗意波长相当,并且具有巨大的比表面;由纳米微粒构成的纳米固体又存在庞大的界面成分。强大的表面和界面效应使纳米材料体现出许多异常的特性和新的规律,这些特性和规律使其展现出广阔的应用前景。其中,在宏观尺度上制造出具有纳米结构和纳米效应的高性能金属材料,并揭示这些材料的组织演化特征以实现功能调控,是金属材料学科面临的重大科学问题和需要解决的核心关键技术。本文将对纳米材料的表面、界面效应进行介绍并重点阐述金属纳米材料界面、尺度与材料塑变、强化关系的研究进展。 关键词:纳米材料;表面效应;复合材料 、

1 纳米粒子和纳米固体的表面、界面问题 纳米粒子是指颗粒尺度在范围的超细粒子,它的尺度小于通常的微粉,接近于原子簇。是肉眼和一般显微镜看不见的微小粒子[1]。只能用高倍的电子显微镜进行观察。最早日本名古屋大学上田良二教授给纳米微粒下了一个定义:用电子显微镜能看到的微粒被称为纳米微粒[2]。 纳米固体是由纳米微粒压制活特殊加工而成的新型固体材料,它可以是单一材料,也可以是复合材料。纳米固体最早是由联邦德国萨尔兰大学格莱特等人在80年代初首先制成的。他们用气相冷凝发制得具有清洁表面的纳米级超级微粒子,在超高真空下加压形成固体材料。 纳米微粒的表面效应 随着微粒粒径的减小,其比表面积大大增加,位于表面的原子数目将占相当大的比例。例如粒径为5nm时,表面原子的比例达到50%;粒径为2nm时,表面原子的比例数猛增到80%;粒径为1nm时,表面原子比例数达到99%,几乎所有原子都处于表面状态。庞大的表面使纳米微粒的表面自由能,剩余价和剩余键力大大增加。键态严重失配、出现了许多活性中心,表面台阶和粗糙度增加,表面出现非化学平衡、非整数配位的化学价,导致了纳米微粒的化学性质与化学平衡体系有很大差别,我们把这些差别及其作用叫做纳米微粒的表面效应[3]。 从电镜研究中也可以看出,由于强烈的表面效应使得纳米微粒的微观结构处于不断地变化之中。 纳米固体的界面效应 由纳米微粒制成的纳米固体,不同于长程有序的晶态固体,也不同于长程无序短程有序的非晶态固体,而是处于一种无序状态更高的状态。格莱特认为,这类固体的晶界有“类气体”的结构,具有很高的活性和可移动性。从结构组成上看它是由两种组元构成,一是具有不同取向的晶粒构成的颗粒组元,二是完全无序结构各不相同的晶界构成的界面组元。由于颗粒尺寸小,界面组元占据了可以与颗粒组元相比拟的体积百分数。例如当颗粒粒径为5-50nm时构成的纳米固体,

纳米尺寸效应

纳米尺寸效应 纳米是长度单位,原称毫微米,就是10^-9米(10亿分之一米)。纳米科学与技术,有时简称为纳米技术,是研究结构尺寸在1至100纳米范围内材料的性质和应用。纳米效应就是指纳米材料具有传统材料所不具备的奇异或反常的物理、化学特性,如原本导电的铜到某一纳米级界限就不导电,原来绝缘的二氧化硅、晶体等,在某一纳米级界限时开始导电。这是由于纳米材料具有颗粒尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子所占比例大等特点,以及其特有的三大效应:表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。 表面效应 球形颗粒的表面积与直径的平方成正比,其体积与直径的立方成正比,故其比表面积(表面积/体积)与直径成反比。随着颗粒直径变小,比表面积将会显著增大,说明表面原子所占的百分数将会显著地增加。对直径大于0.1微米的颗粒表面效应可忽略不计,当尺寸小于0.1微米时,其表面原子百分数激剧增长,甚至1克超微颗粒表面积的总和可高达100平方米,这时的表面效应将不容忽略。 超微颗粒的表面与大块物体的表面是十分不同的,若用高倍率电子显微镜对金超微颗粒(直径为2*10^-3微米)进行电视摄像,实时观察发现这些颗粒没有固定的形态,随着时间的变化会自动形成各种形状(如立方八面体,十面体,二十面体多李晶等),它既不同于一般固体,又不同于液体,是一种准固体。在电子显微镜的电子束照射下,表面原子仿佛进入了“沸腾”状态,尺寸大于10纳米后才看不到这种颗粒结构的不稳定性,这时微颗粒具有稳定的结构状态。超微颗粒的表面具有很高的活性,在空气中金属颗粒会迅速氧化而燃烧。如要防止自燃,可采用表面包覆或有意识地控制氧化速率,使其缓慢氧化生成一层极薄而致密的氧化层,确保表面稳定化。利用表面活性,金属超微颗粒可望成为新一代的高效催化剂和贮气材料以及低熔点材料。 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。 (1)特殊的光学性质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。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,银白色的铂(白金)变成铂黑,金属铬变成铬黑。由此可见,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。 (2)特殊的热学性质固态物质在其形态为大尺寸时,其熔点是固定的,超细微化后却发现其熔点将显著降低,当颗粒小于10纳米量级时尤为显著。例如,金的常规熔点为1064C℃,当颗粒尺寸减小到10纳米尺寸时,则降低27℃,2纳米尺寸时的熔点仅为327℃左右;银的常规熔点为670℃,而超微银颗粒的熔点可低于100℃。因此,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。采用超细银粉浆料,可使膜厚均匀,覆盖面积大,既省料又具高质量。日本川崎制铁公司采用0.1~

金属纳米材料研究进展

金属纳米材料研究进展 WTD standardization office【WTD 5AB- WTDK 08- WTD 2C】

高等物理化学 学生姓名:聂荣健 学号:…………….. 学院:化工学院 专业:应用化学 指导教师:…………. 金属氧化物纳米材料研究进展 应用化学专业聂荣健学号:……指导老师:…… 摘要:综述了近年来金属氧化物纳米材料水热合成方法的研究进展,简要阐述了金属氧化物纳米材料的应用,对其今后的研究发展方向进行了展望。 关键词:纳米材料水热合成金属氧化物 Research progress of metal oxide nanomaterials Name Rongjian Nie Abstract: This article reviews the recent progress in hydrothermal synthesis of metal oxide nanomaterials. The application progress of metal oxide nanomaterials is briefly describrd.The future research directions are prospected. Keywords: nanomaterials; hydrothermal; metal oxides ; 引言 纳米材料是纳米科学中的一个重要的研究发展方向,近年来已在许多科学领域引起了广泛的重视,成为材料科学研究的热点。作为纳米材料的一个方面,金属氧化物纳米材料在现代工业、国防和高技术发展中充当着重要的角色。 1.纳米材料简介 纳米材料概述

金属纳米晶体的表面与其催化效应

金属纳米晶体的表面与其催化效应 沈正阳 (浙大材料系1104 3110103281) 摘要:概括纳米材料的表面与界面特性,从金属纳米晶体表面活性与结构介绍其的催化性能,简要概述金属纳米晶体形状与晶面的关系以及金属纳米晶体的成核与生长。 关键词:纳米金属;表面活性;催化;高指数晶面 1.纳米材料的表面与界面 纳米微粒尺寸小,表面能高,位于表面的原子占相当大的比例。由于表面原子数增多,原子配位不足及高的表面能,使这些表面原子具有高的活性,极不稳定,很容易与其他原子结合。强烈的表面效应,使超微粒子具有高度的活性。如将刚制成的金属超微粒子暴露在大气中,瞬时就会氧化,若在非超高真空环境,则不断吸附气体并发生反应。[1] 纳米晶体是至少有一个维度介于1到100纳米之间的晶体。纳米材料主要由晶粒和晶粒界面2部分组成,二者对纳米材料的性能有重要影响。纳米材料微观结构与传统晶体结构基本一致,但因每个晶粒仅包含着有限个晶胞,晶格点阵必然会发生一定程度的弹性畸变,其内部同样会存在各种缺陷,如点缺陷、位错、孪晶界等。纳米金属粒子的形状、粒径、颗粒间界、晶面间界、杂质原子、结构缺陷等是影响其催化性能的重要因素。纳米材料中,晶界原子质量分数达15%~50%,晶界上的原子排列极为复杂,尤其三相或更多相交叉区,原子几乎是自由的、孤立的,其量子力学状态和原子、电子结构已非传统固体物理、晶体理论所能解释。金属纳米晶体研究中,发现面心立方结构纳米金属如 Al、Ni、Cu 和密排六方结构Co都存在孪晶和层错缺陷,Cu纳米金属中存在晶界滑移。 2.金属纳米晶体的催化性能 近年来,关于纳米微粒催化剂的大量研究表明,纳米粒子作为催化剂,表现出非常高的催化活性和选择性。这是因为纳米微粒尺寸小,位于表面的原子或分子所占的比例非常大,并随纳米粒子尺寸的减小而急剧增大,同时微粒的比表面积及表面结合能迅速增大。纳米颗粒表面原子数的增加、原子配位的不足必然导致了纳米结构表面存在许多缺陷。从化学角度看,表面原子所处的键合状态或键

(完整)量子尺寸效应

(完整)量子尺寸效应 编辑整理: 尊敬的读者朋友们: 这里是精品文档编辑中心,本文档内容是由我和我的同事精心编辑整理后发布的,发布之前我们对文中内容进行仔细校对,但是难免会有疏漏的地方,但是任然希望((完整)量子尺寸效应)的内容能够给您的工作和学习带来便利。同时也真诚的希望收到您的建议和反馈,这将是我们进步的源泉,前进的动力。 本文可编辑可修改,如果觉得对您有帮助请收藏以便随时查阅,最后祝您生活愉快业绩进步,以下为(完整)量子尺寸效应的全部内容。

1.1.1量子尺寸效应 所谓的量子尺寸效应是指粒子尺寸下降到某一值时,金属费米能级附近的电子能级 由准连续变为离散的现象,纳米半导体粒子存在不连续的最高被占据的分子轨道和最低未 被占据的分子轨道能级,能隙变宽,由此导致纳米微粒的光、电、磁、热、催化和超导性等 特性与宏观性存在着显著的差异。如金属纳米材料的电阻随着尺寸下降而增大,电阻温度 系数下降甚至变成负值;相反,原是绝缘体的氧化物达到纳米级时,电阻反而下降;10~ 25nm的铁磁金属微粒矫顽力比同种宏观材料大1000倍,而当颗粒尺寸小于10nm时矫顽力 变为零,表现为超顺磁性。 1。1。2小尺寸效应 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,晶体周期性的边界条件将被破坏;非晶态纳米微粒的颗粒表面 层附近原子密度减小,导致声、光、电、滋、热、力学等特性呈现新的小尺寸效应.例如: 光吸收显著增加,吸收峰的等离子共振频移,磁有序态向磁无序态转变,超导相向正常相 的转变,声子谱发生改变等,这种现象称为小尺寸效应。 1。1.3表面与界面效应 纳米材料的另一个重要特性是表面与界面效应.由于表面原子与内部原子所处的环境 不同,当粒子直径比原子直径大时(如大于0。01时),表面原子可以忽略,但当粒子直径 逐渐接近原子直径时,表面原子的数目及作用就不能忽略,而且这时粒子的比表面积、表 面能和表面结合能都发生很大变化.人们把由此引起的种种特殊效应统称表面效应[8,9]。 随着粒径的减小,比表面迅速增大.当粒径为5nm时,表面原子数比例达到约50%以上,当 粒径为2nm时,表面原子数达到80%,原子几乎全部集中到纳米粒子的表面.庞大的表面原 子的存在导致键态严重失配,表面出现非化学平衡、非整数配位的化学键,产生许多活性中心,从而导致纳米微粒的化学活性大大增强,主要表现在:(1)熔点降低.就熔点来说,纳 米颗粒中由于每一粒子组成原子少,表面原子处于不安定状态,使其表面晶格震动的振幅 较大,所以具有较高的表面能量,造成超微粒子特有的热性质,也就是造成熔点下降,同时 纳米粉末将比传统粉末容易在较低温度烧结,而成为良好的烧结促进材料。如金的常规熔 点是1064℃当颗粒尺寸减小到10nm时,降低了270℃,当金纳米粒子尺寸为2 nm时,熔点 仅为327℃;银的常规熔点为961℃,而超微银颗粒的熔点可低于100℃等。(2)比热增大。粒径越小,比热越大.(3)化学活性增加,有利于催化反应等。 1.1。4宏观量子隧道效应 微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。近年来,人们发现一些宏观量,如超微 粒的磁化强度和量子相干器件中的磁通量等也具有隧道效应,称为宏观量子隧道效应,利 用它可以解释纳米镍粒子在低温下继续保持超顺磁性的现象。宏观量子隧道效应的研究对 基础研究及实用都具有重要的意义,它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限,是未来 微电子器件的基础. 上述的小尺寸效应、表面界面效应、量子尺寸效应及量子隧道效应都是纳米微粒与 纳米固体的基本特性。它使纳米微粒和纳米固体呈现许多奇异的物理、化学性质,出现一 些“反常现象”。例如金属纳米材料的电阻随尺寸下降而增大,电阻温度系数下降甚至变 成负值;相反,原是绝缘体的氧化物达到纳米级时,电阻反而下降;10nm-25nm的铁磁金属

量子尺寸效应

1.1.1量子尺寸效应 所谓的量子尺寸效应是指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的现象,纳米半导体粒子存在不连续的最高被占据的分子轨道 和最低未被占据的分子轨道能级,能隙变宽,由此导致纳米微粒的光、电、磁、热、 催化和超导性等特性与宏观性存在着显著的差异。如金属纳米材料的电阻随着尺寸下 降而增大,电阻温度系数下降甚至变成负值;相反,原是绝缘体的氧化物达到纳米级时,电阻反而下降;10~25nm的铁磁金属微粒矫顽力比同种宏观材料大1000倍,而当颗粒尺寸小于10nm时矫顽力变为零,表现为超顺磁性。 1.1.2小尺寸效应 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,晶体周期性的边界条件将被破坏;非晶态纳米微粒 的颗粒表面层附近原子密度减小,导致声、光、电、滋、热、力学等特性呈现新的小 尺寸效应。例如:光吸收显著增加,吸收峰的等离子共振频移,磁有序态向磁无序态 转变,超导相向正常相的转变,声子谱发生改变等,这种现象称为小尺寸效应。 1.1.3表面与界面效应 纳米材料的另一个重要特性是表面与界面效应。由于表面原子与内部原子所处的环境不同,当粒子直径比原子直径大时(如大于0.01时),表面原子可以忽略,但当 粒子直径逐渐接近原子直径时,表面原子的数目及作用就不能忽略,而且这时粒子的 比表面积、表面能和表面结合能都发生很大变化。人们把由此引起的种种特殊效应统 称表面效应[8,9]。随着粒径的减小,比表面迅速增大。当粒径为5nm时,表面原子数比例达到约50%以上,当粒径为2nm时,表面原子数达到80%,原子几乎全部集中 到纳米粒子的表面。庞大的表面原子的存在导致键态严重失配,表面出现非化学平衡、非整数配位的化学键,产生许多活性中心,从而导致纳米微粒的化学活性大大增强, 主要表现在:(1)熔点降低。就熔点来说,纳米颗粒中由于每一粒子组成原子少,表面原子处于不安定状态,使其表面晶格震动的振幅较大,所以具有较高的表面能量, 造成超微粒子特有的热性质,也就是造成熔点下降,同时纳米粉末将比传统粉末容易 在较低温度烧结,而成为良好的烧结促进材料。如金的常规熔点是1064℃当颗粒尺寸减小到10nm时,降低了270℃,当金纳米粒子尺寸为2 nm时,熔点仅为327℃;银的常规熔点为961℃,而超微银颗粒的熔点可低于100℃等。(2)比热增大。粒径越小,比热越大。(3)化学活性增加,有利于催化反应等。 1.1.4宏观量子隧道效应 微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。近年来,人们发现一些宏观量,如超微粒的磁化强度和量子相干器件中的磁通量等也具有隧道效应,称为宏观量子隧

纳米材料四大效应

1.小尺寸效应:当纳米粒子尺寸与德布罗意波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,对于晶体其周期性的边界条件将被破坏,对于非晶态纳米粒子其表面层附近原子密度减小,这些都会导致电、磁、光、声、热力学等性质的变化,这称为小尺寸效应 我的理解是尺寸小了就会出现一些新的现象、新的特性。从理论层面讲主要是由于尺寸变小导致了比表面的急剧增大。由此很好地揭示了纳米材料良好的催化活性。 2.表面效应:是指纳米粒子表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后引起的性质上的变化。 其实质就是小尺寸效应。球形颗粒的表面积与直径的平方成正比,其体积与直径的立方成正比,故其比表面积(表面积/体积)与直径成反比。随着颗粒直径变小,比表面积将会显著增大,说明表面原子所占的百分数将会显著地增加。当尺寸小于0.1微米时,其表面原子百分数激剧增长,甚至1克超微颗粒表面积的总和可高达100平方米,这时的表面效应将不容忽略。 3. 量子尺寸效应:当粒子尺寸降低到某一值时,金属费米能级附近的电子能级由准连续变为分立能级和纳米半导体微粒的能隙变宽的现象均称为量子尺寸效应。 可否直接说连续的能带变成能级。 宏观量子隧道效应:微观粒子具有穿越势垒的能力称为隧道效应。近年来,人们发现一些宏观量,例如微粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦具有隧道效应,它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化,故称为宏观量子隧道效应。 表面与界面效应 这是指纳米晶体粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。例如粒子直径为10纳米时,微粒包含4000个原子,表面原子占40%;粒子直径为1纳米时,微粒包含有30个原子,表面原子占99%。主要原因就在于直径减少,表面原子数量增多。再例如,粒子直径为10纳米和5纳米时,比表面积分别为90米2/克和180米2/克。因为表面原子数目增多,比表面积大,原子配位不足,表面原子的配位不饱和性导致大量的悬空键和不饱和键,表面能高,因而导致这些表面原子具有高的活性,极不稳定,很容易与其他原子结合。这种表面原子的活性不但易引起纳米粒子表面原子输运和构型的变化,同时也会引起表面电子自旋构象和电子能谱的变化。纳米材料由此具有了较高的化学活性,使得纳米材料的扩散系数大,大量的界面为原子扩散提供了高密度的短程快扩散路径,如金属纳米粒子在空中会燃烧,无机纳米粒子会吸附气体等等。(2)小尺寸效应 当纳米微粒尺寸与光波波长,传导电子的德布罗意波长及超导态的相干长度、透射深度等物理特征尺寸相当或更小时,它的周期性边界被破坏,非晶态纳米粒子的颗粒表面层附近的原子密度减少,从而使其声、光、电、磁,热力学等性能呈现出新的物理性质的变化称为小尺寸效应。例如,铜颗粒达到纳米尺寸时就变得不能导电;绝缘的二氧化硅颗粒在20纳米时却开始导电。再譬如,高分子材料加纳米材料制成的刀具比金钢石制品还要坚硬。利用这些特性,可以高效率地将

纳米材料小尺寸效应的应用

纳米材料小尺寸效应的应用 引言:提起“纳米”这个词,可能很多人都听说过,但什么是纳米,什么是纳米材料,可能很多人并不一定清楚,本文主要对纳米及纳米材料的研究现状和发展前景做了简介,相信随着科学技术的发展,会有越来越多的纳米材料走进人们的生活,为人类造福。纳米技术具有极大的理论和应用价值,纳米材料被誉为“21世纪最有前途的材料”。 关键词:纳米材料小尺寸效应性质分类发展前景 一、纳米材料及其性质 纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料,这大约相当于10~100个原子紧密排列在一起的尺度。从尺寸大小来说,通常产生物理化学性质显著变化的细小微粒的尺寸在0.1微米以下,即100纳米以下。因此,颗粒尺寸在1~100纳米的微粒称为超微粒材料,也是一种纳米材料。粒度分布均匀、纯度高、极好分散,其比表面高,具有耐高温的惰性,高活性,属活性氧化铝;多孔性;硬度高、尺寸稳定性好,具有较强的表面酸性和一定的表面碱性,被广泛应用作催化剂和催化剂载体等新的绿色化学材料。可广泛应用于各种塑料、橡胶、陶瓷、耐火材料等产品的补强增韧,特别是提高陶瓷的致密性、光洁度、冷热疲劳性、断裂韧性、抗蠕变性能和高分子材料产品的耐磨性能尤为显著。以上这些性能决定了纳米材料在表面效应、小尺寸、量子尺寸效应、量子隧道效应、电子信息领域、航天航空、环保能源等各方面均有应用,尤其是在小尺寸方面的应用。 二、纳米科技的发展现状 著名科学家钱学森指出:“纳米科技是21世纪科技发展的重点,会是一次技术革命,而且还会是一次产业革命”。随着世界发达国家对纳米研究的深入,我国对纳米材料和技术也非常重视,为推动我国纳米技术成果产业化.国家通过财政投资并带动社会投资.希望通过5—10年的努力.造就一批具有市场竞争力的纳米高科技骨干企业。已先后安排了许多纳米科技的研究项目,并取得显著成绩,纳米技术在许多方面已达到国际领先水平。

(完整版)纳米材料四大效应及相关解释

纳米材料四大效应及相关解释 四大效应基本释义及内容: 量子尺寸效应:是指当粒子尺寸下降到某一数值时,费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级或者能隙变宽的现象。当能级的变化程度大于热能、光能、电磁能的变化时,导致了纳米微粒磁、光、声、热、电及超导特性与常规材料有显著的不同。 小尺寸效应:当颗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,晶体周期性的边界条件将被破坏,非晶态纳米粒子的颗粒表面层附近的原子密度减少,导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现新的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。 表面效应:球形颗粒的表面积与直径的平方成正比,其体积与直径的立方成正比,故其比表面积(表面积/体积)与直径成反比。随着颗粒直径的变小,比表面积将会显著地增加,颗粒表面原子数相对增多,从而使这些表面原子具有很高的活性且极不稳定,致使颗粒表现出不一样的特性,这就是表面效应。 宏观量子隧道效应:当微观粒子的总能量小于势垒高度时,该粒子仍能穿越这一势垒。近年来,人们发现一些宏观量,例如微颗粒的磁化强度,量子相干器件中的磁通量等亦有隧道效应,称为宏观的量子隧道效应。 四大效应相关解释及应用: 表面效应 球形颗粒的表面积与直径的平方成正比,其体积与直径的立方成正比,故其比表面积(表面积/体积)与直径成反比。随着颗粒直径的变小比表面积将会显著地增加。例如粒径为10nm时,比表面积为90m2/g;粒径为5nm时,比表面积为180m2/g;粒径下降到2nm时,比表面积猛增到450m2/g。粒子直径减小到纳米级,不仅引起表面原子数的迅速增加,而且纳米粒子的表面积、表面能都会迅速增加。这主要是因为处于表面的原子数较多,表面原子的晶场环境和结合能与内部原子不同所引起的。表面原子周围缺少相邻的原子,有许多悬空键,具有不饱

纳米材料表面效应

纳米材料的表面效应 材料0701 李愿 学号:1002070101 参考文献: 1、卢柯、卢磊金属纳米材料力学性能的研究进展 金属学报 2000年8月第36卷第8期:785—789 摘要 金属纳米按体材料具有独特的力学性能如高强度、超高延展性等。近年来得到广泛深入的研究。在对其新进展进行简要评述的基础上,讨论了它的强度、塑性、弹性模量、应变强化、超塑性、蠕变及变形机理等相关问题。 2、吴锦雷纳米材料的电学、光学和光电性能及应用前景 真空电子学术 2002年第4期:23—27 摘要: 简要介绍了纳米材料的电学性能以及单电子器件的基本原理和应用;纳米材料的光学性能和光电性能,高的光吸收系数和光致荧光现象可使其应用于敏感元件,由于其光电特性具有超快响应速度,可望在超快光电子器件中得到应用。 3、齐卫宏、汪明朴纳米金属微粒表征量的基本关系 材料导报 2002年9月第16卷第9期:76—77 摘要: 在假定纳米微粒近似成球形的前提下,推导出了粒径、微粒原子数、表面原子百分数及比表面积之间的相互关系式,这些关系式对实验将会有一些指导作用。 4、梁海弋、倪向贵、王秀喜表面效应对纳米铜杆拉伸性能影响的原子模拟 金属学报 2001年8月第37卷第8期 833—836 摘要: 采用EAM势对纳米铜杆的拉伸力学性能进行零温分子动力学模拟。研究表面效应对原子能量、截面应力分布的影响模拟结果表明,表面原子弛豫降低了纳米杆初始阶段的拉伸弹性模量。表面效应明显影响截面应力的发展与分布。 5、黄丹、陶伟明、郭乙木分子动力学模拟纳米镍单晶的表面效应 固体力学学报 2005年6月第26卷第2期:241—244 摘要: 对单晶镍纳米丝、纳米薄膜零温准静态拉伸破坏过程进行了分子动力学模拟。模拟表明表面效应对单晶纳米材料的原子运动及整体力学行为有显著影响。自由表面增加纳米材料的塑

纳米材料的小尺寸效应

纳米材料的小尺寸效应 吴顺康四川大学生命科学学院2016级生命科学拔尖班 小尺寸现象产生的原因: 纳米粒子的特性当粒子的尺寸进入纳米量级时,微粒内包含的原子数仅为100 ~10000 个,其中有50 %左右为界原子,纳米微粒的微小尺寸和高比例的表面原子数导致了它的量子尺寸效应和其他一些特殊的物理性质。 小尺寸效应导致的性质(以及部分应用) 由于纳米微粒的尺寸比可见光的波长还小,光在纳米材料中传播的周期性被破坏,其光学性质就会呈现与普通材料不同的情形。例如,金属由于光反射显现各种颜色,而金属纳米微粒都呈黑色,说明它们对光的均匀吸收性、吸收峰的位置和峰的半高宽都与粒子半径的倒数有关。⑵利用这一性质,可以通过控制颗粒尺寸制造出具有一定频宽的微波吸收纳米材料,可用于磁波屏蔽、隐形飞机等。⑴此外,金属超微颗粒的光反射率极低,可低于1%,大约几毫米就可以完全消光。可以利用此特性,高效持续的将太阳能转化为热能和电能。 在物质超细微化之后,纳米材料的熔点显著降低,犹在颗粒直径为10纳米时较为明显,例如金(Au)常规熔点在1064度;然而在颗粒尺寸减少到2纳米时仅为327度;由此,超细银粉制成的导电浆料可以进行低温烧结,此时的基片可以仅仅使用塑胶而不是高温陶瓷。使用超细银粉,可以使膜厚均匀,覆盖面积大,省料而质量高。 纳米小尺寸效应的应用: 纳米材料作为功能材料与产业技术的结合,具有很多潜在的应用价值。小尺寸超微颗粒的磁性与大尺寸材料显著不同,在颗粒尺寸下降到0.02微米以下之后,其矫顽力可增加1000倍,若进一步减小尺寸,其矫顽力反而可以降到0,呈现出超顺磁性。利用超顺磁性颗粒的矫顽力特性,可以将磁性材料制造为用途广泛的液体。⑶21世纪的信息社会,要求记录材料高性能化和高密度化,而纳米微粒能为这种高密度记录提供有利条件。磁性纳米微粒由于尺寸小,具有单磁畴结构、矫顽力很高的特性,用它制作磁记录材料可以提高信噪比,改善图象质量,如日本松下电器公司已制出纳米级微粉录像带,其图像清晰、信噪比高、失真十分小;还可制成磁性信用卡、磁性钥匙、磁性车票等。将磁性纳米微粉通过界面活性剂均匀分散于溶液中制成的磁体,在宇航、磁制冷、显示及医药中已广泛应用。⑴纳米粒子的高比表面积、高活性使之在传感器方面成为最有前途的材料。外界环境(如温度、光、湿度等)的改变会迅速引起材料表面或界面离子价态和电子输运的变化,利用其电阻的显著变化可以制成传感器,而且响应速度快,灵敏度高。20世纪80年代初,日本已研制出SnO,纳米薄膜传感器,纳米陶瓷材料传感器也具有很大潜力。例如利用纳米LiNbO,LiTiO,PZT和SrTiO的热电效应,可制成红外检测传感器。 纳米材料由于具有特殊的光学性能,可作为非线性光学材料、特异吸光材料、军事航空中用的吸电磁波隐形飞机军舰材料等。如用纳米微粒制成的光纤材料可以降低光导纤维的传输损耗;红外线反射膜材料可用于节能方面等。 陶瓷材料在通常情况下呈现脆性,由纳米超微粒制成的纳米陶瓷材料具有良好的韧性,(由于纳米超微粒制成的固体材料具有大的界面,界面原子排列相当混乱),纳米金属同体的硬度比一般粗晶体材料高3~5倍,由氟化磷酸钙等纳米材料构成的人的牙齿具有很高的强度,当材料或那挚特性产生的机制被限制在小于某些临界长度尺寸的空间之内时特性就会改

纳米材料的基本效应及应用

纳米材料的特异效应及应用 摘要:介绍了纳米材料所独有的小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效以及介电限域效应,这些效应使得它们在磁、光、电、敏感等方面呈现出常规材料不具备的特性。综述了纳米材料在催化、传感、磁性、食品、化妆品、生物医学等方面的应用,叙述了纳米材料在科学技术发展和社会进步中所起到的重要作用,并说明了它还将有更广阔的应用前景。 关键词:纳米材料;基本效应;应用 Nanostructured material’s special effects and its applications Abstract:The particular small size effect,surface effect,quantum size effect, macroscopic quantum tunneling effect and dielectric confinement effect with nanometer materials are presented . As a result of these effects,nanometer materials possess some special properties which normal materials do not have as far as magnetics ,optics ,electronics ,and sensitivity,ect . are concerned . The application of nanometer in the catalytics ,sensitivity ,magnetics,food ,cosmetics and biomedicine,and so on are summarized . And t he important role of nanometer material in science and technology development and social progress is described. The application prospect of nanometer materials is also illustrated. Key words:nanometer materials ;basic effect ;application 1984年德国科学家Gleiter首先制成了金属纳米材料,同年在柏林召开了第二届国际纳米粒子和等离子簇会议,使纳米材料成为世界性的热点之一;1990年在美国巴尔的摩召开的第一届NST会议,标志着纳米科技的正式诞生;1994年在德国斯图加特举行的第二届NST会议,表明纳米材料已成为材料科学和凝聚态物理等领域的焦点。 纳米材料是指由纳米粒子构成的固体材料,其中纳米颗粒的尺寸最多不超过100nm,在通常情况下,应不超过l0nm。即这种材料是指其基本颗粒在l~100nm 范围内的材料。纳米粒子是处在原子簇和宏观物质交界的过渡区域,是一种典型的介观系统,包括金属、非金属、有机、无机和生物等多种颗粒材料。随着物质

纳米材料的表面效应

纳米材料微观结构至少在一维方向上受纳米尺度(1nm--100nm)调制的各种固体超细材料,它包括零维的原子团蔟(几十个原子的聚集体)和纳米微粒;一维调制的纳米多层膜;二维调制的纳米微粒膜(涂层);以及三维调制的纳米相材料。 纳米固体中的原子排列既不同于长程有序的晶体,也不同于长程无序、长程有序的"气体状"固体结构,是一种介于固体和分子间的亚稳中间态物质。因此,一些研究人员把纳米材料称之为晶态、非晶态之外的"第三态晶体材料"。 正是由于纳米材料这种特殊的结构,使之产生四大效应,即表面效应和界面效应、小尺寸效应、量子效应(含宏观量子隧道效应),从而具有传统材料所不具备的物理、化学性能,表现出独特的光、电、磁和化学特性。 (1)表面与界面效应 这是指纳米晶体粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。例如粒子直径为10纳米时,微粒包含4000个原子,表面原子占40%;粒子直径为1纳米时,微粒包含有30个原子,表面原子占99%。主要原因就在于直径减少,表面原子数量增多。再例如,粒子直径为10纳米和5纳米时,比表面积分别为90米2/克和180米2/克。如此高的比表面积会出现一些极为奇特的现象,如金属纳米粒子在空中会燃烧,无机纳米粒子会吸

附气体等等。 (2)小尺寸效应 当纳米微粒尺寸与光波波长,传导电子的德布罗意波长及超导态的相干长度、透射深度等物理特征尺寸相当或更小时,它的周期性边界被破坏,非晶态纳米粒子的颗粒表面层附近的原子密度减少,从而使其声、光、电、磁,热力学等性能呈现出新的物理性质的变化称为小尺寸效应。例如,铜颗粒达到纳米尺寸时就变得不能导电;绝缘的二氧化硅颗粒在20纳米时却开始导电。再譬如,高分子材料加纳米材料制成的刀具比金钢石制品还要坚硬。利用这些特性,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、红外隐身技术等等。 (3)量子尺寸效应 当粒子的尺寸达到纳米量级时,费米能级附近的电子能级由连续态分裂成分立能级。当能级间距大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能或超导态的凝聚能时,会出现纳米材料的量子效应,从而使其磁、光、声、热、电、超导电性能变化。例如,有种金属纳米粒子吸收光线能力非常强,在1.1365千克水里只要放入千分之一这种粒子,水就会变得完全不透明。 (4)宏观量子隧道效应

纳米材料的基本效应

纳米材料的四个基本效应 转载▼ 纳米材料由纳米离子组成,纳米离子一般是指尺寸在1-100纳米之间的粒子,是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域,从通常的关于微观和宏观的观点看,这样的系统既非典型的微观系统也非典型的宏观系统,是一种典型人界观系统,它具有如下四方面效应,并由此派生出传统固体不具有的许多特殊性质。 1、表面效应 粒子直径减少到纳米级,不仅引起表面原子数的迅速增加,而且纳米粒子的表面积、表面能都会迅速增加。这主要是因为处于表面的原子数较多,表面原子的晶场环境和结合能与内部原子不同所引起的。表面原子周围缺少相邻的原子,有许多悬空键,具有不饱和性质,易与其它原子相结合而稳定下来,故具有很大的化学活性,晶体微粒化伴有这种活性表面原子的增多,其表面能大大增加。 2、量子尺寸效应 指纳米粒子尺寸下降到一定值时,费米能级附近的电子能级由连续能级变为分立能级的现象。这一效应可使纳米粒子具有高的光学非线性、特异催化性和光催化性质等。 3、体积效应 指纳米粒子的尺寸与传导电子的德布罗意波长相当或更小时,周期的边界条件将破坏,磁性、内压、光吸收、热阻、化学活性、催化性及熔点等都较普通粒子发生了很大的变化。如光吸收显著增加并产生吸收峰的等粒子共振频移,由磁有序态向磁无序态,超导相向正常相转变等。 4、宏观量子隧道效应 宏观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。近年来,人们发现一些宏观量,例如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量以及电荷等亦具有隧道效应,他们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化,故称为宏观的量子隧道效应MQT(Macroscopic Quantum Tunneling)。这一效应与量子尺寸效应一起,确定了微电子器件进一步微型化的极限,也限定了采用磁带磁盘进行信息储存的最短时间。 以上四种效应是纳米粒子与纳米固体的基本特性,它使纳米粒子和固体呈现许多奇异的物理性质、化学性质,出现一些反常现象,如金属为导体,但纳米金属微粒在低温由于量子尺寸效应会呈现电绝缘性;化学惰性的金属铂制成纳米微粒(箔黑)后,却成为活性极好的催化剂等。

纳米材料的四大效应

小尺寸效应:当纳米粒子尺寸与德布罗意波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,对于晶体其周期性的边界条件将被破坏,对于非晶态纳米粒子其表面层附近原子密度减小,这些都会导致电、磁、光、声、热力学等性质的变化,这称为小尺寸效应 我的理解是尺寸小了就会出现一些新的现象、新的特性。从理论层面讲主要是由于尺寸变小导致了比表面的急剧增大。由此很好地揭示了纳米材料良好的催化活性。 表面效应:是指纳米粒子表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后引起的性质上的变化。 我觉得其实质就是小尺寸效应。 量子尺寸效应:当粒子尺寸降低到某一值时,金属费米能级附近的电子能级由准连续变为分立能级和纳米半导体微粒的能隙变宽的现象均称为量子尺寸效应。 可否直接说连续的能带变成能级。 宏观量子隧道效应:微观粒子具有穿越势垒的能力称为隧道效应。近年来,人们发现一些宏观量,例如微粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦具有隧道效应,它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化,故称为宏观量子隧道效应。 这两个更侧重于物理层面,总是不能很好的给出朴实的语言加以描述,甚是头疼。既然是科普,我想如何将这四个概念给工人、初中生甚至是小学生说明白,至关重要。 表面效应 球形颗粒的表面积与直径的平方成正比,其体积与直径的立方成正比,故其比表面积(表面积/体积)与直径成反比。随着颗粒直径变小,比表面积将会显著增大,说明表面原子所占的百分数将会显著地增加。对直径大于 0.1微米的颗粒表面效应可忽略不计,当尺寸小于0.1微米时,其表面原子百分数激剧增长,甚至1克超微颗粒表面积的总和可高达100平方米,这时的表面效应将不容忽略。 超微颗粒的表面与大块物体的表面是十分不同的,若用高倍率电子显微镜对金属超微颗粒(直径为 2*10^-3微米)进行电视摄像,实时观察发现这些颗粒没有固定的形态,随着时间的变化会自动形成各种形状(如立方八面体,十面体,二十面体多李晶等),它既不同于一般固体,又不同于液体,是一种准固体。在电子显微镜的电子束照射下,表面原子仿佛进入了“沸腾”状态,尺寸大于10纳米后才看不到这种颗粒结构的不稳定性,这时微颗粒具有稳定的结构状态。超微颗粒的表面具有很高的活性,在空气中金属颗粒会迅速氧化而燃烧。如要防止自燃,可采用表面包覆或有意识地控制氧化速率,使其缓慢氧化生成一层极薄而致密的氧化层,确保表面稳定化。利用表面活性,金属超微颗粒可望成为新一代的高效催化剂和贮气材料以及低熔点材料。 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

纳米粒子表面与界面改性

纳米粒子表面改性 摘要:本文介绍了纳米粒子的表面改性原理,对几种纳米粒子ZnO纳米粒子、Fe3O4纳米粒子、SiO2纳米粒子的表面改性方法进行了总结。 关键字:纳米材料;表面改性剂;改性机理 1 前言 在制备纳米材料的过程中,由于纳米粒子比表面积大,表面能高,纳米粒子很容易团聚;另一方面,纳米粒子与表面能比较低的基体的亲和性差,二者在相互混合时不能相溶,导致界面出现空隙,存在相分离现象。只有对纳米粒子在材料中的团聚问题解决得好,纳米粒子的特殊效应才会在材料中得到很好的体现,最终使材料的力学、光学、热学等方面的性能都有较大的提高[1]。 所谓纳米粒子的表面改性就是让纳米粒子表面与表面改性剂发生作用,以改善纳米粒子表面的可润湿性,增强纳米粒子在介质中的界面形容性,使纳米粒子容易在有机化合物或是水中分散。选用特殊的表面改性剂可以使纳米粒子获得特殊的性质。 2 表面改性剂 表面改性剂可以是无机化合物,比如通常采用Al2O3,SiO2,ZnO作为改性剂对纳米TiO2进行表面改性。经过处理后的锐钛矿型TiO2具有较强的紫外吸收能力,可安全地应用到化妆品、造纸、涂料等领域。用氟化物改性α-Al2O3,可制得分散均匀、平均粒径<50nm的氧化铝粉。 也可以是有机化合物,特别是聚合物。实际上有机化合物是主要的纳米粒子改性剂。上面提到在溶胶-凝胶法制备纳米SiO2过程中,用聚合物为表面活性剂对粒子进行改性的过程。实际上,聚合物对纳米粒子表面改性就是以聚合物网络稳定纳米粒子。在聚合物网络中引入羧基盐、磺酸盐等,经硫化氢气流处理成硫化物纳米粒子,粒径平均仅几个纳米,受聚合物网络的立体保护作用,提高了纳米粒子的稳定性,实现了纳米粒子特殊性质的微观调控,聚合物优异的光学性质及易加加工性,为纳米粒子的成型加工提供了良好的载体。

纳米材料小尺寸效应的应用

综述纳米粒子的尺寸效应 ——纳米材料小尺寸效应的应用Abstract: The word "nano", many people may have heard of, but what is nano, what is Nano materials, many people may not know, this paper focuses on the nano and nano materials research and the development prospect of the introduction, believe that with the development of science and technology, nano materials will be more and more into the life of the people, for the benefit of mankind. Nanotechnology has great value in theory and application of nano materials, known as the "twenty-first Century's most promising material" 关键词:纳米材料小尺寸效应性质分类发展前景 1、纳米材料及其性质 纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料,这大约相当于10~100个原子紧密排列在一起的尺度。从尺寸大小来说,通常产生物理化学性质显著变化的细小微粒的尺寸在0.1微米以下,即100纳米以下。因此,颗粒尺寸在1~100纳米的微粒称为超微粒材料,也是一种纳米材料。粒度分布均匀、纯度高、极好分散,其比表面高,具有耐高温的惰性,高活性,属活性氧化铝;多孔性;硬度高、尺寸稳定性好,具有较强的表面酸性和一定的表面碱性,被广泛应用作催化剂和催化剂载体等新的绿色化学材料。可广泛应用于各种塑料、橡胶、陶瓷、耐火材料等产品的补强增韧,特别是提高陶瓷的致密性、光洁度、冷热疲劳性、断裂韧性、抗蠕变性能和高分子材料产品的耐磨性能尤为显著。以上这些性能决定了纳米材料在表面效应、小尺寸、量子尺寸效应、量子隧道效应、电子信息领域、航天航空、环保能源等各方面均有应用,尤其是在小尺寸方面的应用。 2、纳米科技的发展现状

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