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纳米科学与纳米材料

发布时间：2023-04-09 18:27:29 来源：文档文库

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纳米科学与纳米材料
纳米材料复习大纲 I 综述部分
1. 纳米科技：纳米科学（nanoscience）、纳米技术（狭义的nanotechnology）以及纳米工程（nanoengineering）的统称，是研究、开发、利用纳米尺度物质的一门新型的应用型学科，具有多学科交叉的特征。
（1）纳米科学：探索与发现物质在纳米尺度上所表现出来的各种物理、化学与生物学现象及其内在规律，尤其是原子、分子以及电子在纳米尺度范围的运动规律，为纳米科技产品的研发提供理论指导。
（2）纳米技术：主要包括纳米尺度物质的制备、复合、加工、组装以及测试与表征，实现纳米材料、纳米器件与纳米系统在原子、分子尺度上的可控制备，为纳米科技的应用奠定基础。
（3）纳米工程：包括纳米材料、纳米器件、纳米系统以及纳米技术设备等纳米科技产品的设计、工艺、制造、装配、修饰、控制、操纵与应用，推动纳米科技产品走向市场、有效地服务于经济社会。
2. 纳米材料的定义及分类
任何至少有一个维度的尺寸小于100 nm或由小于100 nm的基本单元组成的材料称为纳米材料。
（1）纳米尺度：1nm到100nm范围的几何尺度；
（2）纳米结构单元：具有纳米尺度结构特征的物质单元，包括稳定的团簇或人造原子团簇、纳米晶、纳米粒子、纳米管、纳米棒、纳米线、纳米单层膜及纳米孔等；
（3）纳米材料：物质结构在三维空间至少有一维处于纳米尺度，或由纳米结构单元组成的且具有特殊性质的材料。
纳米材料的主要特征在于其外观尺度，纳米材料按几何特征——维数可分为零维、一维、二维和三维。零维是指长、宽、高三维尺度均在纳米尺寸内，例如纳米粒子、分子团、量子点等。一维是指长、宽、高三维中有二维处于纳米尺度，例如纳米丝、纳米棒、纳米管和
量子线等。二维是指长、宽、高三维中仅有一维处于纳米尺度，例如纳米薄膜，超晶格层和量子井。其中零维纳米材料、一维纳米材料和二维纳米材料可作为纳米结构单元组成纳米固体材料、纳米复合材料以及纳米有序结构。
3. 纳米科技和纳米材料具有下列几个关键特征：
必须至少有一个维具有从1 nm到数百个纳米左右的尺度；设计过程必须体现微观的操作与控制能力，能够从根本上左右纳米尺寸结构的物理性质与化学性质；
能够组合起来形成更大的结构；
这种纳米结构可能具有优异的电学、光学、磁学、机械、化学等性能，至少是在理论上具备这样的性能，但不能理解为越小越好；
把原子和分子按设计方案一个一个地排布起来，而这种原子、分子排布出的纳米结构必须具有可利用范围内的化学稳定性。
II 纳米材料的基本性质 1. 纳米材料的四大效应
量子尺寸效应:当粒子的尺寸下降到某一纳米值时，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中最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道的能级间隙变宽的现象。
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、力学等物性发生变化，这就是纳米粒子的小尺寸效应，又称体积效应。
表面效应:又称界面效应，是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径减小而急剧增大后所引起的性质上的变化。
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。近年来发现一些宏观量，如微粒的磁化强度、量子尺寸效应通量等在量子相干器件中也具有隧道效应。
2. 纳米材料的物理化学性能

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/7416272a68d97f192279168884868762caaebb00.html