纳米技术应用

纳米效应及应用 摘要：纳米微粒是指颗粒尺寸为纳米量级的超细微粒，它一般在1-100nm 之间。纳米材料是纳米级结构材料的简称。狭义是指纳米颗粒构成的固体材料，其中纳米颗粒的尺寸最多不超过100nm。广义是指微观结构至少在一维方向上受纳米尺度（1-100nm）限制的各种固体超细材料。纳米本身具有量子尺寸效应，小尺寸效应，表面效应和宏观量子隧道效应，因而展现出许多特有的性质，在催化、滤光、光吸收、医药、磁介质及新材料等方面有广阔的应用前景，同时也将推动基础研究的发展。文章主要介绍了四种纳米效应具体情况和其应用。以及展望了纳米的发展前景。 关键词：小尺寸效应    表面效应    量子尺寸效应    宏观量子隧道效应 应用 Abstract: Nanoparticles is refers to the particle size of nanometer order of magnitude of ultrafine grain, it usually between 1-100 - nm nano material is short for nanoscale structural materials in narrow sense refers to the nano particles of solid material, in which the size of the nanoparticles is no more than 100 nm generalized refers to microstructure in at least one dimensional direction on the nanometer scale (1-100 nm) of all kinds of solid ultrafine materials. The nano quantum size effect, small size effect, surface effect and macroscopic quantum tunneling effect, and therefore exhibit many unique properties, magnetic medium in catalytic filter light absorption medicine and new materials have broad application prospects, but also will promote the development of basic research this paper mainly introduces the four kinds of nano effect specific situation and its application, and introduces the prospects for the development of nanometer. Keywords: small size effect  surface effect    quantum size effect    macroscopic quantum tunneling effect    apply 引言：纳米科技是研究由尺寸在0.1-100nm之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术。纳米科技主要包括纳米体系物理学，纳米化学，纳米材料学，纳米生物学，纳米电子学，纳米加工学，纳米力学。这七个部分是互相独立的。。纳米本身具有量子尺寸效应，小尺寸效应，表面效应和宏观量子隧道效应，因而展现出许多特有的性质，在催化、滤光、光吸收、医药、磁介质及新材料等方面有广阔的应用前景，同时也将推动基础研究的发展。文章主要介绍了四种纳米效应具体情况和其应用。以及展望了纳米的发展前景。 正文 纳米科技是研究由尺寸在0.1-100nm之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术。在纳米尺度下，物质中电子的波性以及原子之间的相互作用将受到尺度大小的影响。在这个尺度时，物质会出现完全不同的性质，即使不改变材料的成分，纳米材料的熔点、磁性、电学性能、光学性能、力学性能和化学活性等都将和传统材料大不相同，呈现出用传统模式和理论无法解释的独特性能。纳米效应有四个方面，小尺寸效应，表面效应，量子尺寸效应，宏观量子隧道效应。 一、表面效应 表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。纳米微粒尺寸小，表面能高，位于表面的原子占相当大的比例。随着粒径减小，表面原子百分数迅速增加，当粒径为10nm时，表面原子数为完整晶粒原子总数的20％；而粒径降到1nm时，表面原子数比例达到约90%以上，原子几乎全部集中到纳米粒子的表面。纳米微粒的表面原子数增多，比表面积大，原子配位不足，表面原子的配位不饱和导致大量的悬空键和不饱和键，表面能高，使这些表面原子具有高的活性，极不稳定，很容易与其他原子结合，金属的纳米粒子在空气中会燃烧，无机的纳米粒子暴露在空气中会吸附气体，并与气体进行反应 表面原子数与粒径的关系 二、小尺寸效应 当超细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，晶体周期性的边界条件将被破坏；非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小，声、光、电磁、热力学等物性均会发生变化 。 特殊的光学性：黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，即失去了原有的富贵光泽而呈黑色。事实上，所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小，颜色愈黑，银白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于l％，大约几微米的厚度就能完全消光。利用这个特性可以作为高效率的光热、光电等转换材料，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能。 特殊的热学性质：固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的，超细微化后却发现其熔点将显著降低。金的常规熔点为1064 ℃ ，当颗粒尺寸减小到10纳米尺寸时，则降低27℃，2纳米尺寸时的熔点仅为327 ℃左右；银的常规熔点为670 ℃ ，而超微银颗粒的熔点可低于100℃。超微颗粒熔点下降的性质对粉末冶金工业具有一定的吸引力。在钨颗粒中附加0.1％～0.5％重量比的超微镍颗粒后，可使烧结温度从3000℃降低到1200～1300℃，以致可在较低的温度下烧制成大功率半导体管的基片。 特殊的磁学性质：人们发现鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趋磁细菌等生物体中存在超微的磁性颗粒，使这类生物在地磁场导航下能辨别方向，具有回归的本领。在趋磁细菌体内通常含有直径约为 2 × 10-2微米的磁性氧化物颗粒。磁性超微颗粒实质上是一个生物磁罗盘，生活在水中的趋磁细菌依靠它游向营养丰富的水底。小尺寸的超微颗粒磁性与大块材料显著的不同，大块的纯铁矫顽力约为 80安米，而当颗粒尺寸减小到 2×10-2微米以下时，其矫顽力可增加1千倍，若进一步减小其尺寸，大约小于 6 × 10-3微米时，其矫顽力反而降低到零，呈现出超顺磁性。 特殊的力学性质：陶瓷材料在通常情况下呈脆性，然而由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性。因为纳米材料具有大的界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出甚佳的韧性与一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力学性质美国学者报道氟化钙纳米材料在室温下可以大幅度弯曲而不断裂。研究表明，人的牙齿之所以具有很高的强度，是因为它是由磷酸钙等纳米材料构成的。呈纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬3～5倍。随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒而言，尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加，从而产生表现出在光学性质、热血性质、磁学性质、力学性质超导电性、介电性能、声学特性以及化学性能等方面一系列新奇的性质。 三、量子尺寸效应 能带理论表明，金属费米能级附近电子能级一般是连续的，这一点只有在高温或宏观尺寸情况下才成立。当粒子尺寸下降到某一值时，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而使能隙变宽现象均称为量子尺寸效应 四、宏观量子隧道效应 微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。微颗粒的一些宏观量（磁化强度、量子相干器件中的磁通量及电荷等）具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势阱而产生变化，称为宏观的量子隧道效应。量子尺寸效应、宏观量子隧道效应将会是未来微电子、光电子器件的基础，确立了现存微电子器件进一步微型化的极限，当微电子器件进一步微型化时必须要考虑上述的量子效应。制造半导体集成电路时，当电路的尺寸接近电子波长时，电子就通过隧道效应而溢出器件，使器件无法正常工作，目前研制的量子共振隧穿晶体管就是利用量子效应制成的新一代器件。四种效应构成了纳米颗粒和纳米固体的基本特性，使它们呈现出许多奇特的物理和化学性质，出现一些不同于其它大块材料的“反常现象” 在纳米尺度下，物质中电子的波性以及原子之间的相互作用将受到尺度大小的影响。在这个尺度时，物质会出现完全不同的性质，即使不改变材料的成分，纳米材料的熔点、磁性、电学性能、光学性能、力学性能和化学活性等都将和传统材料大不相同，呈现出用传统模式和理论无法解释的独特性能。纳米科技由于其无可挑剔的优越性，已成为世界各国研究的热点。其应用已渗透到人类生活和生产的各个领域，促使许多传统产业得到改进。随着纳米材料在小尺寸效应方面的飞速发展与不断完善，越来越多的新型纳米材料产生必将对其发展产生深远的影响。改造现有传统的产品，开发具有新功能的纳米材料和拓宽现有纳米材料在各方面的应用，已成为当务之急。因此，纳米材料及纳米复合技术的应用，是将来新型建筑材料发展的重要方向。随着纳米科技和纳米材料的研究深入，特别是纳米科技的小尺寸效应的进一步 ，更多难题将会得到解决。我们将充分享受纳米技术给人类带来的各方面的便利。总之，纳米技术正成为各国科技界所关注的焦点，正如钱学森院士所预言的那样：“纳米左右和纳米以下的结构将是下一阶段科技发展的特点，会是一次技术革命，从而将是21世纪的又一次产业革命。 纳米结构体系是当前纳米材料领域派生出来的含有丰富科学内涵的一个重要分支，由于该体系的奇特物理现象及与下一代量子器件的联系，因而成为人们十分感兴趣的热点。所谓纳米结构是以纳米尺度的物质单元为基础，按一定规律构建和营造的一种新体系，它包括一维的、二维的、三维的体系，这些物质单元包括纳米微粒稳定的团簇和人造超原子、纳米管、纳米棒、丝及纳米尺寸的孔洞等。纳米结构由于既有纳米微粒的特性如量子效应、小尺寸效应、表面效应等优点，又存在由纳米结构组合引起的新的效应，如量子耦合效应和协同效应等，而且纳米结构体系很容易通过外场(电、磁、光)实现对其性能控制。单一物质纳米微粒体系的性质是有限的，几种物质组装的纳米结构复合体系往往具有更重要的价值，其中核-壳型复合纳米粒子引起了人们广泛的关注。核-壳型纳米微粒由于表面覆盖有纳米粒子，因此表面活性中心被适当的涂层所改变，常常表现出不同于模板核的性能，如不同的表面化学组成、稳定性的增加、较高的比表面积、