纳米材料与纳米技术.pptVIP

* 随着纳米微粒比表面积的增大，表面原子百分数迅速增加。由于表面原子所处环境与内部原子不同，它周围缺少相邻的原子，有许多悬空键，具有不饱和性，易于其它原子相结合而稳定下来，所以纳米晶粒减小的结果，导致其表面积、表面能及表面结合能都迅速增大，致使其表现出很高的化学活性。利用这一特性可制得具有高催化活性和产物选择性的催化剂。 光催化剂：以光线（如紫外线）为驱动源，增进物体氧化还原的物质。 * 光催化剂（TiO2）受到光线（紫外线）照射，会产生表面电子空穴效应，使大气存在的H2O分解为-OH（游离基）及H（氢），其-OH（游离基）会与有机化合物起氧化反应，致使有机化合物改变特性。一般的细菌（霉菌、病毒）及臭味主要结构均为有机化合物，故此能除臭抗菌/抗病毒。 超微颗粒的表面结构与大块物体的表面结构是不一样的。若用高倍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、二十面体多孪晶等），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，可采用表面报复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。 * 量子尺寸效应 量子效应-光波与光子的双重性 当粒子的尺寸降到一定值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为分离（离散）能级的现象、纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级和能隙变宽现象均称为量子尺寸效应。 1922~1923年康普顿研究了X射线被较轻物质（石墨、石蜡等）散射后光的成分，发现散射谱线中除了有波长与原波长相同的成分外，还有波长较长的成分。这种散射现象称为康普顿散射或者康普顿效应。 * 当电子被局限在一个很小的纳米尺度空间，电子传输运动受限制，平均自由程变得很短，粒子波动相干性增强，晶体周期性边界条件不再成立，传统的晶相学已不再必然。此外，当材料内部空间尺度（Dimension Length）变小，纳米系统中的电子数大大降低，宏观世界中固定的准连续能带消失了，而表现出分立的能阶，产生了新能态（New States）。 电子密度状态 * 能带理论认为，金属费米能级附近电子能级一般是连续的，但前提是高温或宏观尺寸的情况下，对于只有有限个电子的超微粒子来说，低温下能级是离散的。对于宏观物体包含无限个原子（即导电电子数N→∞），由久保有关能级间距的公式：知，δ（能级间距）→0，即对于大粒子或宏观物体能级间距几乎为零，能级是连续的；而对纳米微粒，所包含原子数有限，N（原子数）值很小， δ值有一定值，即能级间距发生分裂。当能级间距大于热能、磁能，光子能量或超导态的凝聚能时，必须要考虑量子尺寸效应。纳米材料的量子尺寸效应即处于分离量子化能级中的电子的波动性带来了纳米材料一系列的特殊性质。如用久保有关能级间距的公式可以估算出Ag微粒在1K时出现量子尺寸效应（由导体→ 绝缘体）的临界粒径da，Ag的电子密度n1=6×1022cm-3，由公式和可求得d=20nm，即纳米Ag微粒粒径等于20nm，且T=1K时，银变为非金属绝缘体。如果T不等于1K，则要求d≤20nm才有可能变为绝缘体。 * 纳米材料的量子尺寸效应使纳米材料具有： 高度光学非线性； 特异性催化和光催化性； 强氧化性与强还原性 利用这一特性可制得光催化剂、强氧化剂和强还原剂。可使用于制备无机抗菌材料。 * 一些微观粒子具有粒子性又具有波动性，因此具有贯穿势垒的能力，称为隧道效应。 隧道效应是由于粒子的波动性而引起的，只有在一定的条件下，隧道效应才会显著。经计算，投射系数T为： 宏观量子隧道效应 由式（1）可见，T与势垒宽度a，能量差（V0-E）以及粒子的质量m有着很敏感的关系。随着势垒厚（宽）度a的增加，T将指数衰减，因此在一般的宏观实验中，很难观察到粒子隧穿势垒的现象。 * 科学家们发现，一些宏观量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也具有隧道效应，它们可以贯穿宏观系统的势垒而产生变化，故称为宏观量子隧道效应。 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。 * 库仑堵塞 库仑堵塞效应是20世纪80年代介观领域所发现的极其重要的物理现象之一。当体系的尺寸进入到纳米级，体系是电荷“量子化”的，即充放电过程不是连续的，冲入一个电子所需的能量Ec为e2/2C，体系越小，C越小，能量越