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1、1. 什么是纳米科技:纳米科技是指在纳米尺度（1 nm到100 nm之间）上研究物质（包括原子、分子的操纵） 的特性和相互作用（主要是量子特性），以及利用这些特性的多学科交叉的科学和技术。它使人类认 识和改造物质世界的手段和能力延伸到原子和分子。纳米科技的最终目标是以原子、分子及物质在纳 米尺度上表现出来的新颖的物理、化学和生物学特性制造出具有特定功能的产品。纳米科技的重要意义:随着人类对客观世界认知的革命，纳米科技将引发一场新的工业革命。纳米科 技的研究领域:因为纳米科技的研究对象涉及诸多领域，它的基础研究问题又往往与应用密不可分， 我们可以根据纳米科技与传统学科领域的结合而细分纳米材料学、
2、纳米电子学、纳米生物学、纳米化 学、纳米机械学与纳米加工等等，但这种把纳米科技与学科紧密联系的分类方式并不科学，原因在于 各自都有一个交叉，无法那么严格。如果以研究对象和工作性质来区分，纳米科技必须包括纳米材料， 纳米器件和纳米尺度的检测与表征。材料是基础，器件是应用水平的标志，检测和表征是纳米科技研 究与发展的实验基础和必要条件。纳米科技就是在物理学发展的基础上兴起的，研究纳米科技首先就要了解纳米体系物理学。a经典物 理学b量子物理基础c量子统计简介d介观物理2. 纳米材料体系物理是研究纳米尺度范围内出现的物理现象和物理效应。一、电子能级的不连续性 二、 量子尺寸效应三、小尺寸效应四、表面效
3、应五、量子隧穿效应3-久保指出：金属超微粒子在费米面能级附近电子能级产生离散现象。对小微粒的电子能态作两 点假设：简并费米液体假设把超微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气， 并且它们的能级是准量子态的不连续能级。超微粒子呈电中性 从一个超微粒子中取走一个电子或加进一个电子都是十分困难的，并提出公式：kBT W 机 12超微粒子的粒径d越小，从中取走或加进一个电子克服库仑力所需做的功W越大。纳米金（Au）微 粒的导电性变化，能带理论表明，宏观尺寸的金属费米能级附近电子能级一般是连续的。纳米微粒包含的原子数有限，久保等人提出相邻电子能级间距和颗粒直径间的关系如图所示，并符合下
4、列公式：4 E 1F oc 3 N V 式中，8为能级间距；Ef为费米能级；N为一个超微粒的总导电电子数；V为超微粒子 体积。当粒子为球形时 6 c 1，即随粒子颗径的减小，能级间隔加大。当d很大时，8很小，这就是宏观连续能级的情况。当d足 够小时，8就会变大，当8kBT时能级产生分裂，使纳米微粒的磁、光、声、热、电与宏观特性有显 著的不同，导体变成了绝缘体。根据2-124和2-126式有据（2-138 ）式金的电子数密度 n=6X 1022个/cm3，得： % = （8.7xio-8）/d38 =4Ef E =性=虫（3兀2n）233 N f2m2m根据久保理论：当8kBT，即8/kBT时就
5、会产生能级分裂，当T=1K时， 令= 8 7 x10-8）/d3 1由此得：dV20nm。从而我们可以知道，金元素在T=1K时，dV20nm就 会出现量子尺寸效应。实际情况恰恰如此，当dV20nm时，金的确具有 很高的电阻，类似于绝缘体。4, 纳米微粒的熔点，开始烧结温度和品化温度均比常规粉体低得多。熔点变化，常规Au的熔点为 1336K左右，当金颗粒小于10nm时，熔点急剧下降，当颗粒为2nm时，373K就开始熔化。所谓烧 结温度是指把粉末先用高压压制成形，然后在低于熔点的温度下使这些粉末相互结合在一块、密度接 近常规材料的最低加热温度。与纳米微粒熔点降低的原理类似，纳米微粒压制后，界面蕴藏
6、的高界面 能有利于界面间空洞的放缩。因此，在较低的温度下烧结就能达到致密化的目的。5. 按结构单元划分：0维的纳米材料在空间三维尺寸均为纳米尺度的材料，如纳米微粒，原子团簇 等。一维的纳米材料 在空间有两维处于纳米尺度，如纳米丝、纳米棒、纳米管等。二维的纳米材料 在 空间只有一维处于纳米尺度，如超簿膜、多层膜等通称纳米薄膜。三维的纳米材料由纳米微粒组成 的体相材料，纳米固体按性质划分：金属与半导体的纳米颗粒,AL2O3, MGO和某些硅酸盐等绝缘体，大分子，6. 纳米粉体的团聚问题：纳米粉体与大块的固体材料在物理性质上有很大的不同，最典型的差别之 一是比表面积增大，表面能升高。纳米微粒具有较高
7、的表面能，使纳米微粒系统处于不稳定状态，设 纳米微粒系统处于分散状态时，总表面积为A ;团聚后，总表面积为A，显然A A若单位面 积的表面自由能为Y贝U团聚前后系统总的表面自由能的变化可见，团聚物系统的自分由能减小，根据 热力学定律，纳米微粒系统从分散向团聚变化是不可逆的、自发的过程。因此，纳米微粒系统的团聚 是不可避免的此外，在纳米微粒形成过程中，表面往往带有静电，粒子极不稳定，在微粒的相互碰撞 过程中，它们很容易团聚在一起形成表面能较低的、带有弱连接界面的、尺寸较大的团聚体， 解决方法：为了改善纳米粒子的分散性、解决纳米微粒的团聚问题，需要对纳米微粒进行表面改性， 也称表面修饰纳米微粒的表
8、面改性，主要是依靠改性剂在微粒表面的吸附、反应、包覆或成膜来实现 的。具体方法视其应用背景和应用领域而定。选用表面改性剂，必须考虑被处理的对象a物理修饰b表面化学修饰c表面修饰的重要意义7. 蒸发冷凝法：又称气体中蒸发法，是采用物理方法制备纳米粉体的一种典型方法1984年，德国 H.Gleiter采用此法合成了 Pd、Cu、Fe纳米品材料，从而标志着纳米材料的诞生。该法可用于多种类 型金属、合金、氧化物纳米颗粒的制备。蒸发-冷凝法的优缺点：本法是纳米材料制备的基本物理方 法；本法是纳米材料制备的基本物理方法；制得的纳米粒子表面清洁，可以原位加压进而制备纳米块 体；纳米粒子的粒径可以通过调节加热
9、温度、压力和气氛等参数在几纳米至500nm范围内调控利用 相同的原理可以制备纳米薄膜（称为蒸镀技术）。缺点是结品形状难以控制，生产效率低，在实验研 究上较常用。8. C60： 60个碳原子呈立体分布，由12个五边形和20个六边形组成，呈足球形状；C60分子的结构， 碳原子占据的60个顶点位于一个半径为0.355nm的球面上，有两种不等价的化合键，所有的五元环 均由单键构成，而六元环则由单键和双键交替构成。单键和双键的长度分别为0.145nm和0.14nm。 C60的振动谱与电子结构，C60分子上60个碳原子共有174个振动自由度；C60有48个可分辨的振动 频率，并已被拉曼和红外吸收实验所证实
10、，C60的电子结构，其最高占据态有5重简并度，最低未占 据态为3重简并度，能隙为1.9eV。固态C60结构与相变，C60分子之间的作用主要是通过范德华力， 在室温下，形成面心立方结构；在249K （24C ）时，由于分子取向从无序到有序发生了相变，形 成简单立方结构掺杂C60的超导电性：在C60固体中掺入碱金属（K、Rb），超导转变温度升高且具有较大的临界电流、 临界磁场，又易于加工成型，很有发展前途，半导体特性：c60是继硅、锗、神化镓之后，又一种新型半导体材料，有望成为纳电子器件的基础材 料。非线性光学性质，磁性能，C”分子的化学修饰是其化学性质的集中表现：内修饰，外修饰，表面修 60饰，
11、c60超大分子可参与下列化学反应氢化和脱氢反应；氟化反应；氯化反应；漠化反应；付氏反应；富 勒烯化反应；亲核加成反应；聚合反应；C60的自由基反应；富勒烯的骨架扩大反应.9. 碳纳米管的结构：碳纳米管的管壁是一种类似于石墨片的碳六边形网状结构，每个碳与周围的三 个碳原子相邻，碳-碳之间为SP2杂化键结合。通俗地说碳纳米管可以看成是石墨片卷成圆筒状而生成 的，C = na + ma卷曲时使a与 点重叠，由此构成的平面与管轴垂直，当e =0时，碳的六边形的一对顶角水平地围 绕管轴排布，称为锯齿结构，当e =30时，碳的六边形的一对边水平地围绕着管轴排布，称为扶手 椅结构，当0 030时，称为手性结
12、构，如图3-12 （d）所示。手性结构的纳米管可用（n, m） 表示碳六边形与管轴的关系性质：电磁学特性，力学性质，导热性能应用：a纳米碳管在导电方面的特点，决定了它可能成为量子线，实现一维导电b利用纳米碳管的尖 端可以作为扫描隧道显微镜的针尖，可大大提高分辨率c储氢材料中科院已实现在中等压力下，贮 氢量达4.2%，常压下会有80%的氢可被释放出来d信息存储 以碳纳米管作为信息写入及读出探头， 其存储密度为10i2bits/cm2,比市场上现有的商品高4个数量级，被称为超高密度存储。E碳纳米管的 抗拉强度比钢高100倍，而密度却只有钢的1/6；如果在月球和地球之间架一道天梯的话，碳纳米管 有可
13、能担当此任。10. 由于纳米粒子的比表面积大，而且表面原子配位不全，随着粒径的减小，表面光滑程度更差，即 形成了凸凹不平的原子台阶，配位不全的表面原子所占比例更大，使其化学活性位置（或理解为化学 反应接触面）进一步增加，这就是纳米粒子作为催化剂优于常规材料的原因。但是纳米微粒的催化作 用性能提高的原因，只是因为纳米微粒粒径小、表面原子数目高的缘故，而每个表面原子的活性并没 有提高。当然，减小颗粒尺寸，提高表面金属原子的比例也是有意义的，可以提高单位重量催化剂的 产出效率，降低成本。但是，要采取措施防止催化剂的纳米颗粒在较高反应温度下发生团聚、颗粒长 大的问题以及催化剂本身使用寿命和重复使用的问
14、题，这也是摆在纳米科技工作者面前的课题。11. 纳米块体的构成是纳米微粒（尺寸在1100nm）和它们之间的分界面（下称界面）。界面在块体 材料中的作用类似一般固体材料的品粒间界，但又有本质的不同。由于纳米粒子尺寸小，界面在块体 材料中所占的体积百分比，往往与纳米微粒所占体积的百分比差不多。因此，在纳米块体材料中，不 能将界面视为缺陷”，它已成为纳米块体材料基本构成之一。所以说，界面类似于一般固体材料的品 粒间界，但又有本质的不同，不能视为缺陷。纳米块体可分为两个组元：微粒组元；界面组元。作为微粒组元，保持形成块体的纳米微 粒结构，而作为界面组元，它的结构取决于相邻微粒（如晶粒）的相对取向及边界
15、的倾角。如果相邻 微粒取向是随机的，则纳米块体的所有品粒间界具有不同的原子结构。纳米块体材料不是由单一纳米 相构成的，而是由多种相微粒组成的纳米复合材料。不同相的原子间距不同，在界面A、B处可以发 现，界面处的原子间距与晶粒内不同，而且不同界面彼此不同。界面组元是所有这些界面结构的组合， 如果所有界面的原子间距各不相同，则这些界面的原子间距的平均结果是各种可能的原子间距取值在 这些界面中均匀分布。因此可以认为界面组元的微结构与长程有序的晶态不同，也和典型的短程有序 的非晶态有差别，是一种新型结构，纳米非晶结构材料，由于它的颗粒组元是短程有序的非晶态，其 界面组元的原子排列比颗粒组元内原子的排列
16、更混乱，是一种无序程度更高的纳米材料。材料的硬度、 弹性模量和塑性是主要的力学性能，纳米块体材料与常规固体有很大不同。对上述现象不能用传统的 位错理论去解释，这是因为常规位错理论是建立在晶粒组元基础上的，而纳米块体材料的界面组元占 了体积的近一半，对几纳米大小的品粒，其尺度与常规粗品粒内部位错塞积中相邻位错间距相差不多， 位错源很难开动，用位错塞积理论很难解释纳米品块体材料的力学性质。纳米块体材料的热学性能a 比热b热膨胀c热稳定性，纳米块体材料的光学性质a光的吸收b掺杂引起的荧光现象c光致发光 谱的变化，纳米块体材料的磁学性能a饱和磁化强度b抗磁性到顺磁性的转变及顺磁到反铁磁转变 c超顺磁性d磁相变e居里温度f巨磁电阻效应，纳米块体材料的电学性质a纳米块体的电阻b交 流电导c纳米块体的介电特性 d压电效应12. 巨磁阻效应：所谓磁电阻是指在一定磁场下电阻改变的现象，巨磁阻就是指在
