文档介绍：材料物理性能论文
题目:纳米材料的奇异特性和二元协同性
姓名: 王立晟 (991992)
崔莹 (991993)
梁琰枰 (991995)
张大明(991996)
程达明(991997)
黄建超 (991998)
2002/10/30
摘要
纳米材料由于其自身的特殊结构以及尺寸限制,在力学、热学、光学、磁学和电学等各方面具有一些不同于常规材料的特殊性质,文章综述了纳米材料在研究过程中出现的各种性质。针对纳米材料表面问题的二元协同界面材料实现了不同材料的界面重组,构建了新型材料。
关键词:纳米材料、性质、二元协同性
纳米材料简介
1959年,著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德·费曼预言,人类可以用小的机器制作更小的机器,最后甚至可以根据人类的意愿,逐个排列原子或分子,制造超晶态产品,这是关于纳米技术最早的梦想。
七十年代,科学家开始从不同角度提出有关纳米技术的构想,1974年,科学家唐尼古奇最早使用纳米技术一词描述精密机械加工。1982年,科学家发明观察纳米结构的重要工具--扫描隧道显微镜(STM),为我们揭示一个可直接探测的原子、分子世界,对当时称为“介观物理”的研究和发展产生了积极的促进作用。并且,只有在介观体系中才显得那么重要的表面和界面问题也开始发展成为科学。1990年7月,第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办,标志着纳米科学技术的正式诞生。
纳米(10-9m)是一个介观尺度的度量单位。这是一个比微观尺度()大,又比宏观尺度(光学显微镜分辨极限的微米尺度)小的世界。在这个世界里的研究工作是从基础物理学对这个尺度上的结构所表现出的奇异特性开始的。并且,人们很早就注意到这种纳米态的性质不主要取决于其体内的原子或分子,而是主要取决于表面或界面上分子排列的状态。由于它们具有量子力学上的强关联性而表现出完全不同于宏观和微观世界的介观性质,这就是纳米材料。纳米材料是指在三维空间中至少有一维处在纳米尺度范围内(1~100nm)或由它们作为基本单元构成的材料,其大小介于微观粒子与宏观物体之间,包括零维量子点,一维纳米线、纳米管,二维超薄膜、超晶格等
纳米材料是由几十个到数千个原子或分子组合成的介观体系。这些数量不多的原子或分子“组合”在一起时,被称为“超分子”或“人工分子”。“超分子”的性质,由于它内部的强关联性,它的各种性质都有重大变化。当“超分子”继续长大,或以通常的方式聚集成大块材料时,奇特的性质又会失去。更重要的是,许多化学和生物反应的过程也发生在纳米尺度的层面上,因此探测纳米尺度内物理、化学和生物性质的变化,将加深对物质世界和生命科学的理解。对由数量不多的电子、原子或分子组成的体系中新规律的认识和如何操纵或组合它们,是当今纳米科学技术的主要问题之一。
纳米材料的特殊效应
量子尺寸效应
当粒子尺寸下降到一定数值时,金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象以及
纳米半导体微粒则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,能隙变宽的现象称为量子尺寸效应。
能带理论表明,金属费米能级附近电子能级只有在高温或宏观尺寸情况下才表现为连续,而有限个导电电子的超微粒子在低温下能级是离散的,而这种离散对材料的性质产生明显影响。久保(Kubo)及其合作者就相邻电子能级间距和粒子直径的关系提出以下著名的公式:
其中δ为相邻电子能级间距,N为一个纳米粒子中所包含的导电电子总数,EF为费米能级,V为纳米粒子的体积。其中费米能级EF可表示为
n1是电子密度,m为电子质量。
对于纳米微粒,其所包含的原子数有限,N值很小,这就导致δ有一定数值,即发生了能级分裂。当能级间距大于内能、磁能、静电能或光子能量时,量子尺寸效应就会起作用,它将导致纳米粒子的磁、光、电、声、热学性能以及超导性能的相对于宏观材料的显著变化,如比热、磁化率将与所含电子数目的奇偶性有关,导体变成绝缘体等。
小尺寸效应
图2-1 表面原子数占全部原子数的比例和粒径之间的关系
当纳米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,晶体的周期性边界条件被破坏,非晶态纳米颗粒的表面层附近原子密度减小,由此导致了电、磁、声、光、热、力等各种性能呈现新的特性,这些特性称为小尺寸效应。例如光吸收显著增加,磁有序向无序转变,超导相向正常相转变,声子谱发生转变等。已有实验发现,纳米量级的Si在靠近可见光范围内就有较强的光致发光现象;纳米ZnO具有较强的紫外光吸收性能。
表面效应
微粒表面原子数占全部原子数的比例与粒径的关系见图2-1.
从图中可以看出,微粒表面原子数随着粒径的减小迅速增加。这是由于粒径变小,表面积急剧增大所致,例如