文档介绍：纳米材料综述
摘要
概述了纳米材料的基本概念、分类方法及结构特征, 重点介绍了纳米材料的光谱、催化、光电化学及反应性等化学特性及应用.
1、纳米材料的基本概念
纳米材料是指颗粒尺寸为纳米量级( nm~ 100nm ) 的超微粒子(纳米微粒) 及由其聚集而构成的纳米固体材料。纳米固体材料分为纳米晶体材料、纳米非晶态材料及纳米准晶态材料。其中纳米晶体材料按其结构形态又可分为四类:
(1) 零维纳米晶体, 即纳米尺寸超微粒子;
(2) 一维纳米晶体, 即在一维方向上晶粒尺寸为纳米量级, 如一维纤维, 一维碳纳米管;
(3) 二维纳米晶体, 即在二维方向上晶粒尺寸为纳米量级, 如纳米薄膜、涂层;
(4) 三维纳米晶体, 指晶粒在三维方向上均为纳米尺度, 如纳米体相材料, 纳米陶瓷材料。另外, 还有纳米复合材料, 以复合方式不同分为0-0、0-2、0-3 型复合, 即零维纳米粒子分别与纳米粒子、二维及三维材料复合而成的固体材料。
纳米材料科学是现代化学、物理学、材料学、生物学等多门学科相互交叉、相互渗透的新兴学科, 其研究内容主要包括两个方面:
(1) 系统地研究纳米材料的性能、微结构和谱学特性,通过和常规材料对比, 找出纳米材料的特殊规律, 建立描述和表征纳米材料的新概念和新理论, 发展完善纳米材料科学体系;
(2) 探索新的制备方法, 发展新型的纳米材料, 研究制备工艺与材料结构、性能之间的关系规律, 并拓宽其应用领域。
2、纳米材料的性质
、纳米微粒的结构和特性
纳米粒子处于原子簇和宏观物体交界的过渡区域,是由数目很少的原子或分子组成的聚集体。由于纳米粒子具有壳层结构。粒子的表面原子占很大比例,并且是无序的类气状结构, 而在粒子内部则存在有序-无序结构,这与体相样品的完全长程有序结构不同。纳米粒子的结构特征使其产生了小尺寸效应、表面界面效应、量子尺寸效应及宏观量子隧道效应,并由此派生出传统固体材料所不具备的许多特殊性质。
、小尺寸效应
当纳米粒子的尺寸与光波长及传导电子的德布罗意波长相当或更小时, 周期性的边界条件将被破坏, 磁性、内压、光吸收、热阻、化学活性、催化性质及溶点等都较普通粒子发生了很大变化, 呈现出小尺寸效应(又称体积效应). 该效应为纳米粒子的应用开拓了广阔的新领域. 例如, 2 nm 的金颗粒熔点为600 K , 块状金则为1337 K ; 银的正常熔点为1234 K , 纳米银粉熔点则降低到373 K , 此特性为粉末冶金工业提供了新工艺. 利用等离子共振频移随颗粒尺寸变化的性质, 可以通过改变颗粒尺寸来控制吸收边的位移, 制成具有一定频宽的微波吸收纳米材料, 用于电磁波屏蔽、隐形飞机等。
、表面界面效应
表面界面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒子尺寸减小而急剧增大所引起性质上的变化。粒子的粒径与表面原子数的大致关系如表1 所示,可见,处于表面的原子数随着纳米粒子的减小而迅速增加。由于表面原子的晶体场环境及结合能与内部原子有所不同,存在许多悬键,具有不饱的性质,因而极易与其它原子相结合而稳定下来,故具有很高的化学活性。
、量子尺寸效应
当超细微粒的尺寸下降到某一值时, 费米能级附近的电子能级由准连续变为分裂能级及能隙变宽的现象, 称为量子尺寸效应. 这会导致纳米微粒在催化、光、电、磁及超导等方面表现出与宏观常规材料显著不同的性质. 例如, 材料的纳米化可能使导体变为绝缘体等。
、宏观量子隧道效应
微观粒子具有贯穿势阱的能力称为隧道效应. 近年来, 人们发现一些宏观量, 如超微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量以及电荷等亦具有隧道效应, 它们可以穿越宏观系统的势阱而产生变化, 故称之为宏观量子隧道效应. 利用它可解释纳米镍粒子在低温下继续保持超顺磁性的现象. 该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, 是未来微电子器件的基础。
、纳米固体材料的结构和性能
纳米固体材料主要由纳米微粒及它们之间的界面两部分组成. 因而, 纳米固体材料同样具有纳米粒子的上述四种效应. 此外由于纳米微粒尺寸小, 使得界面体积分数占有很高的比例。界面体积分数可由3δ/(δ+ d) 来计算[6 ],式中D为界面厚度(约为1 nm ) , d 为粒径.。例如, 当d= 5nm 时, 界面体积分数高达50%。界面数多, 存在的缺陷也多, 而界面的结构与缺陷的类型对纳米固体材料的性能有极其敏感而重要的影响. 目前已形成多种关于纳米晶界结构的假说,具有代表性的是Gleiter 的完全无序说, S eaqel 的有序说以及叶恒强、吴希俊的有序
—无序说;但至今仍未形成统一的理论模型。总之, 纳米固