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1、举例说明纳米资料的结构与其性质的关系.代鹏程无机化学2009级硕博连读学号:200911461题目:举例说明纳米资料的结构与其性质的关系答:目录1、纳米资料定义2、纳米资料的结构3、纳米资料的性能4、以量子点为例说明纳米资料结构与其性质的关系5、以纳米线为例说明纳米资料结构与其性质的关系1、纳米资料定义纳米资料是纳米级结构资料的简称。狭指由纳米颗粒组成的固体资料,其中纳米颗粒的尺寸最多不高出100纳米,在平时情况下不高出10纳米;从广义上说,纳米资料,是指微观结构最少在一维方向上受纳米尺度(1100nm限制的各种固体超细材料,它包括零维的原子团簇(几十个原子的齐聚体和纳米微粒;一维纳米纤维;二
2、维纳米微粒膜(涂层及三维纳米资料。2、纳米资料的结构资料学研究认为:资料的结构决定资料的性能,同时资料的性能反响资料的结构。纳米资料也同样这样。关于纳米资料,其特色既不同样于原子,又不同样于结晶体,可以说它是一种不同样于本体资料的新资料,其物理化学性质与块体资料有明显的差异。/,描述它的物理规律完好不同样纳米资料的结构特色是:纳米尺度结构单元,大量的界面或自由表面,以及结构单元与大量界面单元之间存在的交互作用。在结构上,大多数纳米粒子表现为理想单晶,也有表现非晶态或亚稳态的纳米粒子。纳米资料的结构上存在两种结构单元;即晶体单元和界面单元。晶体单元由所有晶粒中的原子组成,这些原子严格地位于晶格地
3、址;界面单元由处于各晶粒之间的界面原子组成,这些原子由超微晶粒的表面原子转变而来。纳米资料由于特别小,使纳米资料的几何特色之一是比表面积(单位质量资料的表面积很大,一般在102104m2/g。它的另一个特色是组成纳米资料的单元表面上的原子个数与单元中所有原子个数相差不大。比方:一个由5个原子组成的正方体纳米颗粒,总合有原子个数53=125个,而表面上就有约89个原子,占了纳米颗粒资料整体原子个数的71%以上。这些特色完好不同样于一般的资料。比方,一般资料的比表面积在10m2/g以下,其表面原子的个数与组成单元的整体原子个数对照较完好能够忽略不计。由于以上纳米资料的两上明显不同样于一般资料的几何
4、特色,从物理学的见解来看,就使得纳米资料有两个不同样于一般资料的物理效应表现出来,这是一个由量变到质变的过程。一个效应我们称之为量子尺寸效应,另一个被称之为表面效应。量子尺寸效应是由于资料的维度不断减小时于宏观(一般资料的规律,不仅需用描述微观领域的量子力学来描述,同时要考虑到有限界线的实责问题。关于量子尺寸效应办理物理问题,到目前为止,还没有一个较为成熟的适用方法。表面效应是由于纳米资料表面的原子个数不能忽略,而表面上的原子又反碰到来自体内一侧原子的作用,所以它很简单与外界的物质发生反响,也就是说它们十分爽朗。纳米资料由于这两上特殊效应的存在,使得它们的物理、化学性质完好不同样于一般资料。目
5、前好多实验和应用结果已经证明,纳米资料的熔点、磁性、电容性、发光特色、水溶特色等都完好不同样于一般资料。比方,将金属铜或铅做成几个纳米的颗粒,一碰到空气就会燃烧,发生爆炸;用碳纳米管做成的超级电容器,其体积比电容达到600F/cm3,这在同样体积下电容量为传统电容的几百倍;碳纳米管的强度比钢强100倍。基于这些令人愉悦的实验结果,我们完好能够预示觉,纳米资料的实质应用必然能够大量地满足人们用一般资料不能够达到的要求,提高人们的生活质量,大大促进社会的进步。3、纳米资料的性能运用纳米技术,将物质加工到一百纳米以下尺寸时,由于它的尺寸已凑近光的波长,加上其拥有大表面的特殊效应,所以其所表现的特色,
6、比方熔点、磁性、化学、导热、导电特色等等,经常产生既不同样于微观原子、分子,也不同样于该物质在整体状态时所表现的宏观性质,也即纳米资料表现出物质的超老例特色。3.1纳米资料的特色当物质尺寸度小到必然程度时,则必定改用量子力学取代传统力学的见解来描述它的行为,当粉末粒子尺寸由10微米降至10纳米时,其粒径虽改变成1000倍,但换算成体积时则将有109倍之巨,所以二者行为大将产生明显的差异。当小颗粒进入纳米级时,其自己和由它组成的纳米固体主要有以下四个方面的效应。3.1.1体积效应(小尺寸效应当粒径减小到必然值时,纳米资料的好多物性都与颗粒尺寸有敏感的依赖关系,表现出奇异的小尺寸效应或量子尺寸效应
7、。比方,关于粗晶状态下难以发光的半导体Si、Ge等,当其粒径减小到纳米量级时会表现出明显的可见光发光现象,而且随着粒径的进一步减小,发光强度逐渐增强,发光光谱逐渐蓝移。又如,在纳米磁性资料中,随着晶粒尺寸的减小,样品的磁有序状态将发生实质的变化,粗晶状态下为铁磁性的资料,当颗粒尺寸小于某一临界值时能够转变成超顺磁状态,当金属颗粒减小到纳米量级时,电导率已降得特别低,这时原来的良导体实质上会转变成绝缘体。这类现象称为尺寸引诱的金属-绝缘体转变。3.1.2表面与界面效应粒子的尺寸越小,表面积越大。纳米资料中位于表面的原子占相当大的比率,随着粒径的减小,引起表面原子数迅速增加。如粒径为10nm时,比
8、表面积为90m2/g;粒径为5nm时,比表面积为180m2/g;粒径小到2nm时,比表面积猛增到450m2/g。这样高的比表面,使处于表面的原子数越来越多,使其表面能、表面结合能迅速增加致使它表现出很高的粒子化学性。利用纳米资料的这一特色可制得拥有高的催化活性和产物选择性的催化剂。纳米资料的好多物性主若是由表(界面决定的。比方,纳米资料拥有非常高的扩散系数。如纳米固体Cu中的自扩散系数比晶格扩散系数高1420个数量级,也比传统的双晶晶界中的扩散系数高24个数量级。这样高的扩散系数主要应归因于纳米资料中存在的大量界面。从结构上来说,纳米晶界的原子密度很低,大量的界面为原子扩散供应了高密度的短程快
9、扩散。一般陶瓷只有在1000以上,应变速率小于10-4/s时才能表现出塑性,而好多纳米陶瓷在室温下就可以发生塑性变形。3.1.3量子尺寸效应量子尺寸效应在微电子学和光电子学中素来占有显赫的地位。粒子的尺寸降到必然值时,费米能级周边的电子能级由准连续能级变成分立能级,吸取光谱阈值向短波方向搬动。这类现象称为量子尺寸效应。1993年,美国贝尔实验室在硒化镉中发现,随着粒子尺寸的减小,发光的颜色从红色变成绿色进而变成蓝色,有人把这类发光带或吸取带由长波长移向短波长的现象称为蓝移。1963年日本科学家久保(Kubo给量子尺寸效应下了以下定义;当粒子尺寸下降到最低值时,费米能级周边的电子能级由准连续变成
10、失散能级现象。3.1.4宏观量子地道效应微观粒子拥有贯穿势垒的能力称为地道效应。用此见解可定性地讲解超细镍微粒在低温下连续保持超顺磁性。科学工作者经过实考据了然在低温下确实存在磁的宏观量子地道效应。这一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,也限制了采用磁带磁盘进行信息储蓄的最短时间。由于纳米粒子有极高的表面能和扩散率,粒子间能充分凑近,进而范德华力得以充分发挥,使纳米粒子之间、纳米粒子与其他粒子之间的相互作用异常强烈。进而使纳米资料拥有一系列的特其他光、电、热、力学性能和吸附、催化、烧结等性能。3.2纳米资料的性能3.2.1力学性能高温、高硬、高强是结构资料开发的永远主题
11、,纳米结构资料的硬度(或强度与粒径成反比(吻合Hall-Retch关系式。资料晶粒的细化及高密度界面的存在,必然对纳米资料的力学性能产生很大的影响。在纳米资料中位错密度特别低,位错滑移和增殖采用Frand-Reed模型,其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径还要大,增殖后位错塞积的平均间距一般比晶粒大,所以在纳米资料中位错的滑移和增殖不会发生,此即纳米晶增强效应。3.2.2光学性能纳米粒子的粒径(10100nm小于光波的波长,所以将与入射光产生复杂的交互作用。金属在合适的蒸发聚积条件下,可获取易吸取光的黑色金属超微粒子,称为金属黑,这与金属在真空镀膜时形成的高反射率光彩面成强烈比较。由于量子尺寸效应
12、,纳米半导体微粒的吸取光彩宽泛存在蓝移现象,纳米资料因其光吸取率大的特色,可应用于红外线感测器资料。其他,TiO2超细或纳米粒子还可用于抗紫外线用品。块状金属拥有各自的特色颜色,但当其晶粒尺寸减小到纳米量级时,所有金属便都呈黑色,且粒径越小,颜色越深,即纳米晶粒的吸光能力越强。纳米晶粒的吸光过程还受其能级分其他量子尺寸效应和晶粒及其表面上电荷分布的影响。由于纳米资料的电子经常凝集成很窄的能带,所以造成窄的吸取带。半导体硅是一种间接带隙半导体资料,平时情况下发光效率很弱,但当硅晶粒尺寸减小到5nm及以下时,其能带结构发生了变化,带边向高能带迁移,观察到了很强的可见发射。4nm以下的Ge晶粒也可发
13、生很强的可见光发射。3.2.3电学性能由于纳米资料晶界上原子体积分数增大,纳米资料的电阻高于同类粗晶资料,甚至发生尺寸引诱,金属向绝缘体转变,在磁场中资料电阻的减小特别明显。电学性能发生奇异的变化,是由于电子在纳米资料中的传输过程碰到空间维度的拘束进而呈现出量子限域效应。在纳米颗粒内,也许在一根特别细的短金属线内,由于颗粒内的电子运动碰到限制,电子动能或能量被量子化了。结果表现出当金属颗粒的两端加上电压,电压合合时,金属颗粒导电;而电压不合合时金属颗粒不导电。这样一来,原本在宏观世界内奉为经典的欧姆定律在纳米世界内不再成立了。金属银会失去了典型金属特色;纳米二氧化硅比典型的粗晶二氧化硅的电阻下
14、降了几个数量级;常态下电阻较小的金属到了纳米级电阻会增大,电阻温度系数下降甚至出现负数;原来绝缘体的氧化物到了纳米级,电阻却反而下降,变成了半导体或导电体。纳米资料的电学性能决定于其结构。如随着纳米碳管结构参数的不同样,纳米碳管能够是金属性的、半导体性的。3.2.4磁学性能当晶粒尺寸减小到纳米级时,晶粒之间的铁磁相互作用开始对资料的宏观磁性有重要的影响。纳米颗粒由于尺寸超细,一般为单畴颗粒,其技术磁化过程由晶粒的磁各向异性和晶粒间的磁相互作用所决定。纳米晶粒的磁各向异性与晶粒的形状、晶体结构、内应力以及晶粒表面的原子有关,与粗晶粒资料有着明显的差异,表现出明显的小尺寸效应。纳米磁性资料拥有十分特其他磁学性质,纳米粒子尺寸小,拥有单磁畴结构和矫顽力很高的特色,用它制成的磁记录资料不但音质、图像和信噪比好,而且记录密度比-Fe2O3高几十倍。超顺磁的强磁性纳米颗粒还可制成磁性液体,用于电声器件、阻尼器件、旋转密封及润滑和选矿等领域。3.2.5热学性能由于纳米资料界面原子排列比较凌乱、原子密度低、界面原子耦合作用变弱,所以纳米资料的比热和膨胀系数都大于同类粗晶和非晶资料的值。如金属银界面热膨胀系
