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纳米材料性质

1纳米材料概述

纳米材料是指三维空间尺寸中至少有一维处于纳米级别（约1-100nm）的材料，根据其

维度的差异通常可分为三类：

（1）零维材料，即空间三维尺度都在纳米级别，包括量子点、纳米微球、纳米颗粒、

原子团簇等；

（2）一维材料，即空间三维尺度中有一维处于纳米级别，如纳米线、纳米棒、纳米管、

纳米带等；

（3）二维材料，即空间三维尺度有两维处于纳米级别，包括纳米片、多层膜、超薄膜

石墨烯、二硫化钼、二硒化钼、二硫化钨、二硒化钨等片状纳米材料。

纳米粒子一般是比原子簇大，而比微粉要小，这个尺寸是处于原子和微观物质之间很难

用肉眼和一般的显微镜观察。

图1.11.1颗粒尺寸分布图，单位：米（m）

因为这些单元往往具有量子性质，所以对零维、一维和二维的基本单元又分别称为量子

点、量子线和量子阱。纳米材料是介于宏观和微观原子簇之间的一个新的物质层次，因而表

现出独特的物理化学性质，具有表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应以及宏观量子隧道效

应、量子限域效应等特性，使得纳米材料在包括催化、生物医学、材料工程、环保、能源等

众多领域得到了广泛的应用。

2纳米材料的基本性质

由于组成纳米材料的基本单元属于纳米量级，当材料的尺寸小到接近光的波长或接近电

子的相干长度时，晶体的周期性的边界条件将会被破坏，材料的比表面积会增大，而纳米材

料表层附近的原子密度将减小，这些改变将造成纳米材料相对于宏观物体的多种性质的改变。

这些纳米材料的尺寸越小，其表面原子数所占比例就越大。由于表面原子的配位数较低，导

致表面原子活性较高，微电子状态相应会发生变化，从而使得纳米材料有很多独特的性质。

2.1表面效应

表面效应是指纳米材料表面原子的数量与纳米材料的总原子数的比值随着粒径的变小

而快速增大后所引起的材料性质的变化。表1.1中给出了纳米粒子尺寸与表面原子数的关系。

从表1.1中可见随着纳米材料尺寸的减小，材料比表面积和表面的原子数在迅速增加。由于

纳米材料的表面原子的结合能与内部原子不同，表面的原子越多，材料的表面能越高。而纳

米材料表面的原子周围缺少与之相邻的原子，因此会产生有许多悬空键，使得表面原子容易

同其他材料的原子结合来维持表面原子的稳定，因而纳米尺寸下的材料表现出很大的化学和

催化的活性。

表1.1粒子表面原子所占比例与粒子尺寸的关系表

粒子尺寸（粒子尺寸（nm）原子总数（个）表面原子的比例

202.5×10510%

103×10420%

54×10340%

22.5×10280%

13099%

2.2量子尺寸效应

能带理论中，宏观尺寸下，金属材料的费米能级附近是准连续的电子能级，而纳米材料

中，随着纳米材料的尺寸下降到某一值时，粒子的电子结构会发生变化，金属纳米粒子费米

能级附近的电子能级会由准连续态变为离散，而半导体纳米粒子中HOMO(最高占据的分子轨

道)能级和LUMO(最低未占据的分子轨道)能级之间的带隙会变宽，这种由于粒子尺寸变化导

致的能级变化的现象称为量子尺寸效应。量子尺寸效应中粒子尺寸和能级间距的关系是60

年代Kubo等人给出的模型。量子尺寸效应会导致纳米材料与宏观材料不同的力、热、超导

等特性，在催化、超导、光学等领域的应用有着重要的意义。

2.3小尺寸效应

随着材料尺寸的减小到纳米尺度后，材料的某些性质在一定条件下会发生改变，纳米材

料通常是由纳米晶粒和纳米晶界两部分组成，因此当粒子的尺寸与光波波长、德布罗意波长

及超导态的相干波长等近似或者更小时会破坏晶体的周期性边界条件，这就会导致纳