文档介绍：纳米材料与纳米技术
理学院物理系010070126 X云霞
摘要：纳米技术已开展成为一门多学科穿插与渗透的新兴学科。本文简单介绍了
纳米的概念，以及纳米材料的特性和各领域的应用。
关键词：纳米技术；纳米材料；应用；进展
第一节纳操纵和原子组装等，它将掀起微型化和分子化的高潮。
纳米技术经过20世纪80年代的理论和实践方面的大量准备，到90年代得到很快的开展。世界上一些兴旺国家几乎同时提出了国家级的纳米科技的战略规划，并付之以行动。美国为了保持其纳米科学技术领域的强势地位，于2000年初由克林顿总统向美国国会提出“国家纳米技术建议"〔National Nanotechnology Initiative, NNI〕，全面部署纳米技术战略规划，包括纳米材料及制备、纳米电子学、化学与制药业、生物技术与农业、计算机与信息技术等，并在电子信息、生物工程、医学、航空航天等高新尖端领域取得一些骄人的成果。在日本， “纳米"概念1974年底就开场出现在一些文章中，早把纳米技术列为材料科学的四大重点根底研究开发工程之一，如利用分子探针技术测量控制原子水平上的构造，研究新型电子材料同原子技术相关的物理学等。德国BMBF纳米技术方案的根本宗旨是实行“以产品为导向的技术开发〞，主要包括超级薄膜、新型纳米构造、超精细外表制图、纳米材料与分子构造〔器件〕等几个方面。法国纳米技术主要研究对象有微系统、生物芯片、微型化医疗系统、大容量存储器、微型显示器等高级先进器件。其他欧洲国家也都有自己的纳米研发方案。
我国是纳米科学技术研究较早的国家之一。20世纪50年代，著名科学家钱学森在他的“物理力学〞中，就试图在理论上把微观世界同宏观世界联系起来。国家“863〞高技术方案中就列有不少纳米材料的应用研究工程。1999年，国家科技部又制定了“国家重点根底研究开展规划〞〔973方案〕，其中安排了“纳米材料与纳米构造〞工程，对纳米碳管等纳米材料的根底研究给予了相当的投入。在上述领域，我国已取得了一系列令人瞩目的研究成果，个别方面甚至走在了世界最前沿。如1998年合成了世界上最长的纳米碳管〔高出当时长度的上百倍〕；首次利用碳纳米管作模板制备出直径为
3 ~ 40nm长度达微米级的发光氮化镓纳米棒，在国际上首次把氮化镓制备成一维的纳米晶体，并首次提出碳纳米管限制反响的概念等。
第三节纳米材料的特性
在纳米材料中，纳米晶粒和由此产生的高浓度晶界是它的两个重要特征。高浓度晶界及晶界原子的特殊构造将导致材料的力学性能、磁性、介电性、超导性、光学乃至热力学性能的显著改变。
3、1外表效应
众所周知，固体材料的外表原子与内部原子所处的环境是不同的。当材料颗粒直径远大于原子直径时，外表原子可以忽略；但当颗粒直径逐渐接近于原子直径时，外表原子的数目及其作用就不能忽略，这时晶粒的外表积、外表能和外表结合能等急剧增加引起的种种特异效应统称为外表效应。由于纳米粒子外表原子数增多，其配位数缺乏和高的外表能，这些原子易与其它原子相结合而稳定下来，故具有很高的化学活性。例如，金属纳米粒子在空气中会燃烧，非金属纳米粒子在大气中会吸附气体并与气体进展反响。
3、2体积效应
由于单个纳米粒子所包含的原子数很少，相应的质量极小，因而将产生与通常含有无限多个原子的块状材料完全相异的现象，这种特殊的现象称之为纳米材料的体积效应。Kubo理论针对金属纳米粒子费米面附近电子能级分布的状态提出了纳米材料的体积效应的理论解释。Kubo把金属纳米粒子靠近费米面附近的电子状态看作是受尺寸限制的简并电子态，并进一步假设他们的能级为准原子态的不连续能级，由此得到相邻电子能级间距5和金属纳米粒子的直径d的关系为：
5 二 4E /3N 工 V-1 工 1/d3
F
式中：N为一颗金属纳米粒子中的总导电电子数；V为纳米粒子的体积；Ef为
F
费米能级。由此，随着纳米粒子的直径减小，能级间距将增大，电子移动困难，电阻率将增大，甚至会使金属导体变为绝缘体。对具有同素异构转变的金属纳米粒子进展XRD和TEM分析时，发现局部粒子除具有正常的常温构造外，还会出现非导电的高温构造相，而此情况仅在较小尺寸的粒子中观测到。
3、3 量子尺寸效应
当纳米粒子的尺寸下降到某个阚值时，金属费米面附近电子能级将由准连续变为离散能级；而半导体中将出现不连续的最高被占据的分子轨道能级和最低未被占据的分子轨道能级使得价带和导带之间的能隙增大；此种处于别离的量子化能级中的电子的波动性将发生突变而产生了一系列特殊性质，这就是纳米材料的量子尺寸效应。当纳米粒子的尺寸与光波波长、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