纳米材料的基本效应VIP专享VIP免费

1表（界）面效应随着尺寸的减小，颗粒的比表面积迅速增大，当尺寸达到纳米级时，颗粒中位于表面上的原子占相当大的比例，颗粒具有非常高的表面能。人们把这种纳米材料显示的特殊效应称为表面效应。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。表1中列出纳米Cu微粒的粒径与比表面积，表面原子数比例，表面能和一个粒子中原子数的关系。由表1可看出，随着粒径减小，表面原子数迅速增加。这是由于粒径小，表面积急剧变大所致例如，粒径为10nm时，比表面积为90m2/g，粒径为5nm时，比表面积为180m2/g，粒径下降到2nm，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，同时，表面能迅速增加，由表看出，Cu的纳米微粒粒径从100nm®10nm®1nm，Cu微粒的比表面积和表面能增加了2个数量级。表1纳米Cu颗粒的粒径与比表面积、表面原子数比例、表面能和一个粒子中的原子数的关系粒径/nmCu的比表面积/m2•g-1表面原子/全部原子一个粒子中原子数比表面能J•mol-11006.68.46'1075.9'10220101066208.46'1045.9'1035401.06'1042801660995.9'104表面原子数占全部原子数的比例和粒径之间关系见图1。纳米颗粒中位于表面上的原子占相当大的比例，即具有非常高的比表面和表面能。由于表面原子数增多，原子配位不足及高的表面能，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。例如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。粒度/nm图1表面原子数占全部原子数的比例和粒径之间的关系下面举例说明纳米粒子表面活性高的原因。图2所示的是单一立方结构的晶粒的二维平面图，假定颗粒为圆形，实心圆代表位于表面的原子，空心圆代表内部原子，颗粒尺寸为3nm，原子间距为约0.3nm,很明显，实心圆的原子近邻配位不完全，存在缺少一个近邻的“E”原子，缺少两个近邻的“D”原子和缺少3个近邻配位的“A”原子，像“A”这样的表面原子极不稳定,很快跑到“B”位置上，这些表面原子一遇见其他原子，很快结合，使其稳定化，这就是活性的原因。实际上，这种表面原子的活性不但引起纳米粒子表面原子输运和构型的变化，同时也引起表面电子自旋构象和电子能谱的变化。图2单一立方结构的晶粒的二维平面图2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。对于只有有限个导电电子的超微粒子来说，低温下能级是离散的，对于宏观物体包含无限个原子（即导电电子数N®无穷），由下式可得能级间距d®0,即对大粒子或宏观物体能级间距几乎为零；而对纳米微粒，所包含原子数有限，N值很小，这就导致d有一定的值，即能级间距发生分裂。害xpT当材料的尺寸下降到某一值时，系统形成一系列离散的量子能级，电子在其中运动受到约束，称为量子尺寸效应。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和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，能隙变宽现象均称为量子尺寸效应。当能级间距大于热能、磁能、静磁能、静电能、光子能量或超导态的凝聚能时，这时必须要考虑量子尺寸效应，这会导致纳米微粒磁、光、声、热、电以及超导电性与宏观特性有着显著的不同。3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，导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现新的小尺寸效应。当粒子的尺寸不断减小，在一定条件下会引起材料的物理化学性质上的变化，称为小尺寸效应4介电限域效应介电限域是指纳米颗粒分散在异质介质中由于界面引起的体系介电增强的现象，这种介电增强通常称为介电限域。介电限域效应主要来源于颗粒表面和颗粒内部局域场的增强。当介质的折射率比颗粒的折射率相差很大时，产生折射率边界，从而导致颗粒表面和内部的场强比入射场强明显增加，这种局域场的增强称为介电限域。一般来说，过渡族金属氧化物和半导体颗粒都可能产生介电限域效应，该效应...