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浅论纳米材料的特性

作者:admin 更新时间:2019年06月03日 09:56:26

  摘要:大约在18世纪60年代,随着胶体化学的建立,科学家们开始了对纳米微粒系统的研究。到20世纪50年代末,美国着名科学家理查德?费曼首先提出了纳米技术基本概念的设想,他在1959年的美国物理学会的年会上做了一个富有远见性的报告,并做了很多美妙的设想。


  关键字:纳米,特性


  作者:王旭


  1963年,Uyeda及其合作者发展了气体蒸发法制备纳米粒子,并对金属纳米微粒的形貌和晶体结构进行了电镀和电子衍射研究,使科学界对纳米技术的概念有了多方面的认识。1974年,Taniguchi最早使用纳米科技(Nanotechnology)一词描述精细机械加工。1984年,德国科学家Gleiter等人首次采用惰性气体凝聚法制备了具有清洁表面的纳米粒子,然后在真空室中原位加压成纳米固体,并提出纳米材料界面结构模型。到1989年,纳米固体研究的种类已从由晶态微粒制成的纳米晶体材料(纳米导体、纳米绝缘体、纳米半导体)发展到纳米非晶体材料,并成功地制造出一些性能异常的复合纳米固体材料。1990年7月,在美国巴尔地摩召开的首届国际纳米科学技术会议(NST)上,正式把纳米材料科学做为材料科学学科的一个新的分支。从此,一个将微观基础理论研究与当代高科技紧密结合起来的新型学科――纳米材料学正式诞生,并一跃进入当今材料科学的前沿领域。


  纳米材料的组成及其分类


  1、按照维数,纳米材料的结构单元可以分为三类


  (1)零维指在空间有三维处于纳米尺度。如原子团簇、纳米微粒、量子点或人造原子等。原子团簇,是指几个至几百个原子的聚集体,粒径小于1nm。它可以是由一元或多元原子以化学键结合起来的,也可以是由原子团簇与其它分子以配位化学键构成的原子簇化合物,如Fen,AgnSm和C60,C70等。纳米颗粒,尺寸在1-100nm之间,日本名古屋大学的上田良二先生给纳米微粒下的定义是用电子显微镜能看到的微粒。量子点或人造原子,是由一定数量的实际原子组成德聚集体,它们的尺寸小于100nm。人造原子具有与单个原子相似的离散能及,电荷也是不连续的,电子以轨道的方式运动。不同的是电子间的交互作用要复杂得多,人造原子中电子是处于抛物线型的势阱中,由于库仑排斥作用,部分电子处于势阱上部,弱的结合使它们具有自由电子的特征。


  (2)一维指在空间有两维处于纳米尺度,如纳米丝、纳米棒和纳米管等;


  (3)两维指在三维空间中有一维在纳米尺度,如超薄膜、多层膜、超晶格等。目前,纳米材料的研究除涉及上述纳米材料的三类范围外,还涉及到无实体的纳米空间材料,如纳米管、微孔和介孔材料,有序纳米结构及自组装体系等。纳米材料按照不同的组成和标准可以有不同的分类。


  纳米材料按照组成可分为无机纳米材料、有机纳米材料、无机复合纳米材料、有机/无机复合纳米材料和生物纳米材料等。


  纳米材料按照成键形式可以分为金属纳米材料、离子半导体纳米材料、半导体纳米材料以及陶瓷纳米材料等。


  纳米材料按照物理性质可以分为半导体纳米材料、磁性纳米材料、导体纳米材料和超硬纳米材料等。按照物理效应可以分为压电纳米材料、热电纳米材料、铁电纳米材料、激光纳米材料、电光纳米材料、声光纳米材料和非线性纳米材料等。


  纳米材料按照用途可分为光学纳米材料、感光纳米材料、光/电纳米材料等。


  2、纳米材料的性质


  纳米材料具有大的比表面积、表面原子数、表面能和表面张力随粒径的下降急剧增加,小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应及宏观量子隧道效应等将导致纳米微粒的热、磁、光、敏感特性和表面稳定性等不同与常规粒子,另外,粒子集合体的形态(离散态、链状、网络状、聚合状)也迥然不同,这将导致粒子最终物理性能变化多端。


  2.1磁力学性质


  纳米微粒的小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应等使得它具有常规粗晶粒材料所不具有的磁特性,纳米微粒的磁特性主要有如下几点:


  (l)超顺磁性在小尺寸下,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,结果导致超顺磁性的出现。纳米微粒尺寸小到一定临界值时进入超顺磁状态,不同种类的纳米磁性微粒显现超顺磁的临界尺寸是不相同的。


  (2)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。


  (3)磁化率纳米微粒的磁性和它所含的总电子数的奇偶性密切相关。每个微粒的电子可以看成一个体系,电子数的宇称可为奇或偶。


  2.2光学性能


  纳米粒子的一个最重要的标志是尺寸与物理的特征量相差不多。与此同时,大的比表面使处于表面态的原子,电子与处于内部的原子、电子的行为有很大的区别,这种表面效应和量子尺寸效应对纳米微粒的光学特征有很大的影响。甚至使纳米微粒具有同样材质的宏观大块物体不具有的新的光学特征。如宽频带强吸收、蓝移和红移现象、量子限域效应、纳米微粉的发光等。如纳米ZnO中量子限域引起载流空间局域化及通过特殊表面处理后,其发射光谱结构及发射强度会改善且产生紫外激光发射。


  2.3表面活性及敏感特性


  随纳米微粒粒径减小,比表面积增大,表面原子数增多及表面原子配位不饱和性导致大量的悬键和不饱和键等,这使得纳米微粒具有高的表面活性,同时还会提高反应的选择性。由于纳米微粒具有大的比表面积,高的表面活性,以及表面与气氛气体相互作用强等原因,纳米微粒对周围环境十分敏感,如光、温气氛、湿度等,可用于传感器。


  2.4光催化性能


  光催化是纳米半导体的独特性能之一。当半导体氧化物纳米粒子受到大于禁带宽度能量的光子照射后,电子从价带跃迁到导带,产生了电子-空穴对,电子具有还原性,空穴具有氧化性,空穴与氧化物半导体纳米粒子表面的OH-反应生成氧化性很高OH?自由基,活泼的自由基可以把许多难降解的有机物氧化为二氧化碳和水。目前广泛研究的半导体光催化剂大都属于宽带的n型半导体氧化物。


  2.5微波吸收特征


  改性后的纳米ZnO是一种很好的紫外吸收材料,而且纳米ZnO具有吸收峰的等离子共振频移,这种共振频移与量子尺寸有关,随量子尺寸的变化而变化。