納米技術前景展望

摘要：本文簡單闡述了納米材料的基本性質和制備方法。從物理理論和實際應用兩方面揭示了納米技術的瑰麗前景。對納米材料未來的研究方向和思路做了一定的展望。

關鍵詞：納米材料；奇異物性；納米顆粒

中圖分類號：O59文獻標識碼：A

納米材料是指在納米量級(1~100nm)內調控物質結構制成的具有特異性能的新材料。納米材料具有尺寸小、表面積大、表面能高、表面原子比例大的四大特點，并且，具有小尺寸效應、量子尺寸效應、宏觀量子隧道效應、表面效應的四大效應。納米材料特性主要取決于制備方法，當材料顆粒的尺寸進入微米量級（1～100nm）時，由于其尺寸小而表現出一些奇特效應和奇特的物理特性。

一、納米顆粒基本效應

1.表面與界面效應

納米微粒尺寸小，表面大，位于表面的原子占相當大的比例。隨著粒徑減小，表面急劇變大，引起表面原子數迅速增加，缺少近鄰配位的表面原子，極不穩定，很容易與其他原子結合，表現出很高的活性。

2.小尺寸效應

隨著顆粒尺寸變小，周期性的邊界條件將被破壞，在一定條件下會引起顆粒性質的質變，聲、光、電磁、熱力學等特性均會出現新的尺寸效應。由于顆粒尺寸所引起的宏觀物理性質的變化稱為小尺寸效應。例如：光吸收顯著增加，所有金屬失去光澤，變為黑色。

3.量子尺寸效應和宏觀量子隧道效應

對介于原子、分子與大塊固體之間的超微顆粒而言，大塊材料中連續的能帶將分裂為分立的能級；能級間的間距隨顆粒尺寸減小而增大。當熱能、電場能或者磁場能比平均的能級間距還小時，就會呈現一系列與宏觀物體截然不同的反常特性，稱之為量子尺寸效應。例如，導電的金屬在超微顆粒時可以變成絕緣體，光譜線會產生向短波長方向的移動。電子具有粒子性又具有波動性，因此存在隧道效應。量子尺寸效應、宏觀量子隧道效應將會是未來微電子、光電子器件的基礎。

二、奇異物性

上述四個效應是納米微粒與納米團體的基本特性，從而導致納米微粒的熱、磁、光、敏感特性和表面穩定性等不同于正常粒子，出現一些“反常現象”。這就使得它具有許多奇異物性。因而具有廣闊的應用前景。

1.奇異的熱學性質

(1)熔點降低

由于顆粒小，納米微粒表面能高、比表面原子數多，這些表面原子近鄰配位不全，活性大以及納米微粒體積遠小于大塊材料，因此納米粒子熔化時所增加的內能小得多。這就使得納米微粒熔點急劇下降。

(2)燒結溫度降低（陶瓷材料或難熔金屬）

在低于熔點下進行加熱燒結，使粉末互相結合成塊，使密度接近材料的理論密度的最低加熱溫度稱為燒結溫度。

納米微粒尺寸小，表面能高，在燒結中高的界面能成為原子運動的驅動力，有利于界面中的孔洞收縮，因此，在較低的溫度下燒結就能達到致密化的目的，即燒結溫度降低，燒結速度加快。

2.特殊的光學性能

光的發射與吸收與原子的狀態有關，納米顆粒大的比表面使處于表面態的原子、電子與處于顆粒內部的原子、電子的行為有很大的差別，甚至使納米微粒具有同樣材質的宏觀大塊物體不具備的新的光學特性。

(1)寬頻帶強吸收

大塊金屬具有不同顏色的光澤，這表明它們對可見光范圍．各種顏色(波長)的反射和吸收能力不同。當尺寸減小到納米級時各種金屬納米微粒幾乎都呈黑色，它們對可見光的反射率極低，例如鉑金納米粒子的反射率為1%，金納米粒子的反射率小于10%。這種對可見光低反射率，強吸收率導致粒子變黑。

(2)藍移現象

與大塊材料相比，納米微粒的吸收帶普遍存在“藍移”現象，即吸收帶移向短波方向。例如，納米SiC顆粒和大塊SiC固體的峰值紅外吸收頻率分且是814cm-1和794cm-1。由不同粒徑的Si納米微粒吸收光譜看出，隨著微粒尺寸的變小而有明顯的藍移。

(3)新的發光光譜

硅是具有良好半導體持性的材料．是微電子的核心材料之一，可美中不足的是硅材料不是好的發光材料．將稀土發光材料加入到納米氧化物當中，可提高其的發光效率，制得新型的熒光材料。

3.特殊的電學性能

傳統的金屬是良導體，但納米金屬顆粒卻強烈地趨向電中性，如5～15nm納米銅就不導電了，且電阻隨著粒徑減小而增大。而原本絕緣的SiO2在20nm時開始導電。

4.特殊的力學性質

(1)陶瓷材料的良好韌性

因為納米材料具有大的界面，界面的原子排列是相當混亂的，原子在外力的作用下很容易遷移，因此表現出甚佳的韌性與一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力學性質。

(2)納米材料的強度、硬度和塑性

納米晶粒的金屬要比傳統的粗晶粒金屬硬3～5倍。金屬-陶瓷的復合納米材料則可在更大的范圍內改變材料的力學性質，其應用前景十分寬廣。納米材料的代表之一：碳納米管，它的質量是相同體積鋼的六分之一，強度卻是鋼的10倍，是納米技術研究的熱點，它將是未來制造業的首選材料。

5.特殊的磁學性質

(1)磁性材料

所謂磁性材料是指具有可利用的磁學性質的材料。

任何物質在磁場作用下都會處于磁化狀態，但各物質的磁化強度卻有很大的不同。

(2)納米材料的特殊磁學性質

納米微粒的小尺寸效應、量子尺寸效應、表面效應等使得它具有常規粗晶材料不具備的磁特性。納米微粒的主要磁特性表現在它具有超順磁性或高的矯頑力上。

A矯頑力提高

矯頑力的大小反映了鐵磁物質保留剩磁的能力。

10～25nm的鐵磁性金屬顆粒的矯頑力比相同的常規材料大1000倍.。利用磁性超微顆粒具有高矯頑力的特性，已制成高貯存密度的磁記錄磁粉，大量應用于磁帶、磁盤、磁卡以及磁性鑰匙等。

B.鐵磁性到超順磁性轉變

納米微粒尺寸小到一定臨界值時進入超順磁狀態。

特點：在磁場中極易磁化，但當外加磁場消失時其磁性消失。

原因：由于磁性顆粒尺寸減小到一定值時，各向異性能與熱運動能可相比擬．磁化顆粒就不再固定存一個易磁化方向，易磁化方問作無規則的變化。

三、納米材料的制備技術

制備技術是納米科技的關鍵。影響納米材料的微觀結構和宏觀性能。通過不同的制備技術可以得到納米顆粒材料、納米膜材料、納米固體材料等等。

很久以前，我國人們用石蠟做成蠟燭，用光滑的陶瓷在蠟燭火焰的上方收集煙霧，經冷凝后變成很細的碳粉，實際上就是納米粉體。在科學技術高度發展的今天．人工制備納米材料的方法得到了很大的發展。通常采用兩個不同的途徑得到納米材料：

納米材料需要制備成各種形式以滿足各種應用的需要，納米固體(塊體、膜)是重要的形式。它的制備方法是近幾年逐漸發展起來的。

由于納米陶瓷呈現出許多優異的持性，因此引起人們的關注。目前，材料科學工作者正在摸索制備具有高致密度的納米陶瓷的工藝。

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