纳米材料的结构与性能特性及其应用前景

纳米材料的结构与性能特性、制备方法及其应用前景

闵杰 中南大学 材料科学与工程学院

材料1003班 学号：0607100313

【摘 要】文章简要地概述了纳米材料的结构和特殊性质、纳米材料的制备技术和方法以及纳米材料各方面的性能在实际中的应用，并展望了纳米材料在电子信息材料中的应用前景。

【关键词】纳米材料；结构；效应；性能；制备；应用；前景

【Abstract】The article briefly outlines the structure and nano-materials and nano-materials special nature of the performance of various aspects of the application in practice, and the prospect of nano-materials applications.

【Key words】 nanotechnology; Nano materials; Structure; Performance; Preparation;Application; Prospects

20世纪90年代，以前人们从未探索过的纳米物质（Nanostructured materials）一跃成为科学家十分关注的研究对象。新奇的纳米材料刚刚诞生才几年，以其所具有的独特性和新的规律，如材料尺度上的超细微化而产生的表面效应、体积效应、量子尺寸效应、量子隧道效应等及由这些效应所引起的诸多奇特性能，已引起人们的高度重视，使这一领域成为跨世界材料科学研究领域的

1、纳米和纳米材料

纳米是一种长度的量度单位，1纳米（nm）等于10-9米，1nm的长度大约为4到5个原子排列起来的长度，或者说1nm相当于头发丝直径的10万分之一。 纳米结构（nanostructure）通常是指尺寸在100nm以下的微小结构。

纳米材料（nanostructure materials或nanomaterials）是纳米级结构材料的简称。狭指由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100纳米，在通常情况下不超过10纳米；从广义上说，纳米材料，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，它包括零维的原子团簇（几十个原子的聚集体）和纳米微粒；一维纳米纤维；二维纳米微粒膜（涂层）及三维纳米材料。

2、纳米材料的结构

纳米材料主要由纳米晶粒和晶粒界面两部分组成。纳米晶粒内部的微观结构与传统的晶体结构基本一致，只是由于每个晶粒仅包含着有限个晶胞，晶格点阵必然会发生一定程度的弹性畸变。尽管每个晶粒都非常小，但与传统粗晶材料类似，其内部同样会存在着各种点阵缺陷：如点缺陷、位错、孪晶界等。在纳米材料中，点缺陷及位错等低维缺陷很不稳定，经充分弛豫后，很难在纳米晶粒中继续存在。而面缺陷则相对比较稳定，即使在纳米微粒中也可以有孪晶界存在。

在纳米材料的结构中，存在着两种结构组元，即晶体组元和界面组元。晶体组元由所有晶粒中的原子组成，这些原子都严格地位于晶格位置；界面组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化而来。

晶体组元由所有晶粒中的原子组成，这些原子都严格地位于晶格位置，长程有序；界面组元由处于各晶粒间的界面原子组成，这些原子由超微晶粒的表面原子转化而来。界面原子密度低，界面上邻近原子配位数发生变化，界面原子间距差别大。

纳米材料两种结构组元的存在，特别是界面组元的存在，使其特性既不同于原子，又不同于结晶体，其物理化学性质与块体材料相比有明显差异。可以说它是一种不同于本体材料的新材料。

构成纳米块体材料、薄膜材料、多层膜的基本结构单元主要有：原子团簇、纳米微粒、人造原子、纳米管、纳米棒、纳米丝和同轴纳米电缆。其中：

原子团簇是一类于20世纪80年代才发现的新的化学物种。它是几个至几百个原子的聚集体（粒径小于或等于1nm），如Fen，CunSm，CnHm（n和m为正数）和碳簇（C60, C70等）等。原子团簇不同于具有特定大小和形状的分子，也不同于以弱的结合力结合的松散分子团簇和具有周期性的晶体。它们的形状多种多样，它们尚未形成规整的晶体。

纳米微粒是指颗粒尺寸为纳米量级的超微颗粒,它的尺寸大于原子簇(cluster),小于通常的微粉。在固体物理和分子化学中，常将含有几个到几百个原子或尺度小于1nm 的粒子称为“簇”，它是介于单个原子和固态之间的原子集合体。纳米微粒一般在1~100nm之间。当粒子尺寸进入纳米量级时，其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着广阔的使用前景。 人造原子是由一定数量的实际原子组成的聚集体，它的尺寸小于100nm，有时称其为量子点，是20世纪90年代提出来的新概念。人们曾将半导体的量子点也称为人造原子。当体系的尺度与物理特征量相近时，量子效应十分显著。因此当大规模集成电路微细化到100nm左右时，以传统观念和原理为基础的大规模集成电路的工作原理将受到严峻挑战，电子在人造原子中的运动规律将出现经典物理难于解释的新现象。

3、纳米材料的基本效应

当材料的结构进入纳米尺度调制范围时，会表现出量子尺寸效应、体积效应、表面效应及宏观量子隧道效应。这些基本效应将改变该材料的性能，使材料具备磁、光、声、热、电等物理特性。

3.1量子尺寸效应

当粒子尺寸达到纳米量级时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为分立能级的现象称为量子尺寸效应。能带理论表明：金属纳米粒子所包含的原子数有限，能级间距发生分裂。当此能级间距大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能量或超导态凝聚能时，纳米粒子的磁、光、声、热、电及超导电性与宏观物体有显著的不同。例如：纳米粒子所含的电子数的奇偶性不同，低温下的比热容、磁化率有极大差别；纳米粒子的光谱线频移、催化性质也与粒子所含电子数的奇偶性有关。

3.2体积效应

由于粒子尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为体积效应。当纳米粒子的尺寸与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；非晶态纳米粒子的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体积效应。例如：磁有序态向磁无序态、超导相向正常相的转变；光吸收显著增加；声子谱发生改变；强磁性纳米粒子（Fe-Co合金，氧化铁等）尺寸为单磁畴临界尺寸时具有很高的矫顽力；纳米粒子的熔点远远低于块状金属；等离子体共振频率随颗粒尺寸改变。

3.3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着粒径减小而急剧增大后引起性质上改变。随着粒径减小，表面原子数迅速增加，粒子的表面张力和表面能增加。原子配位不足以及高的表面能使原子表面有很高的化学活性，极不稳定，很容易与其它原子结合，这就是活性的原因。表面原子的活性引起了纳米粒子的表面运输和构型的变化，也引起了表面原子自旋构象和电子能谱的变化。例如：化学惰性的Pt制成纳米微粒Pt后成为活性极好的催化剂。

3.4宏观量子隧道效应

微观粒子具有穿越势垒的能力称为隧道效应。但是人们发现一些宏观量，例如微粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量也具有隧道效应，称为宏观量子隧道效应。量子隧道效应是未来微电子器件的基础，它确定了现有微电子器件进一步微型化的极限。

4、纳米材料的性能

运用纳米技术，将物质加工到一百纳米以下尺寸时，由于它的尺寸已接近光的波长，加上其具有大表面的特殊效应，因此其所表现的特性，例如熔点、磁性、化学、导热、导电特性等等，往往产生既不同于微观原子、分子，也不同于该物质在整体状态时所表现的宏观性质，也即纳米材料表现出物质的超常规特性。

4.1 力学性能

高温、高硬、高强是结构材料开发的永恒主题，纳米结构材料的硬度（或强度）与粒径成反比（符合Hall-Retch关系式）。材料晶粒的细化及高密度界面的存在，必将对纳米材料的力学性能产生很大的影响。在纳米材料中位错密度非常低，位错滑移和增殖采取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，所以在纳米材料中位错的

滑移和增殖不会发生，此即纳米晶强化效应。

4.2 光学性能

纳米粒子的粒径（10～100nm）小于光波的波长，因此将与入射光产生复杂的交互作用。金属在适当的蒸发沉积条件下，可得到易吸收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泽面成强烈对比。由于量子尺寸效应，纳米半导体微粒的吸收光泽普遍存在蓝移现象，纳米材料因其光吸收率大的特色，可应用于红外线感测器材料。此外，TiO2超细或纳米粒子还可用于抗紫外线用品。

块状金属具有各自的特征颜色，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离的量子尺寸效应和晶粒及其表面上电荷分布的影响。由于纳米材料的电子往往凝集成很窄的能带，因而造成窄的吸收带。半导体硅是一种间接带隙半导体材料，通常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晶粒也可发生很强的可见光发射。

4. 3 电学性能

由于纳米材料晶界上原子体积分数增大，纳米材料的电阻高于同类粗晶材料，甚至发生尺寸诱导，金属向绝缘体转变，在磁场中材料电阻的减小非常明显。电学性能发生奇异的变化，是由于电子在纳米材料中的传输过程受到空间维度的约束从而呈现出量子限域效应。在纳米颗粒内，或者在一根非常细的短金属线内，由于颗粒内的电子运动受到限制，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，电压合适时，金属颗粒导电；而电压不合适时金属颗粒不导电。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征；纳米二氧化硅比典型的粗晶二氧化硅的电阻下降了几个数量级；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。纳米材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，纳米碳管可以是金属性的、半导体性的。

4. 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材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，与粗晶粒材料有着显著的区别，表现出明显的小尺寸效应。

4. 5 热学性能

由于纳米材料界面原子排列比较混乱、原子密度低、界面原子耦合作用变弱，因此纳米材料的比热和膨胀系数都大于同类粗晶和非晶材料的值。如金属银界面热膨胀系数是晶内热膨胀系数的2.1倍；纳米铅的比热比多晶态铅增加25%～50%；纳米铜的热膨胀系数比普通铜大好几倍；晶粒尺寸为8nm的纳米铜的自扩散系数比普通铜大1019倍。

4. 6 烧结性能

纳米材料不同于块状材料是由于其表面积相对增大，也就是超微粒子的表面占据在部分的结构空间，该结构代表具有高表面能的不安定原子。这类原子极易

与外来原子吸附键（结）合，同时因粒径细小而提供大表面的活性原子。

纳米材料中有大量的界面，这些界面为原子提供了短程扩散途径。高的扩散率对蠕变、超塑性等力学性能有明显的影响，同时可以在较低的温度对材料进行有效的掺杂，也可以在较低的温度下使不混溶的金属形成新的合金相；纳米材料的高扩散率，可使其在较低的温度下被烧结。如12nmTiO2在不添加任何烧结剂的情况下，可以在低于常规烧结温度400～600℃下烧结；普通钨粉需在3000℃高温下才能烧结，而掺入0.1%～0.5%的纳米镍粉后，烧结温度可降到1200～1311℃；纳米SiC的烧结温度从2000℃降到1300℃。很多研究表明，烧结温度降低是纳米材料的共性。纳米材料中由于每一粒子组成原子少，表面原子处于不安定状态，使其表面晶格震动的振幅较大，所以具有较高的表面能量，造成超微粒子特有的热性质，也就是造成熔点下降，同时纳米粉末将比传统粉末容易在较低温度烧结，而成为良好的烧结促进材料。

5.纳米材料的制备方法

6.纳米材料的应用

纳米材料各方面的性能在实际中的应用归纳如下：

7．纳米材料的前景

纳米科学是一门将基础科学和应用科学集于一体的新兴科学，主要包括纳米电子学、纳米材料学和纳米生物学等。21世纪将是纳米技术的时代。纳米材料的应用涉及到各个领域，在机械、电子、光学、磁学、化学和生物学领域有着广泛的应用前景。纳米科学技术的诞生，将对人类社会产生深远的影响，并有可能从根本上解决人类面临的许多问题，特别是能源、人类健康和环境保护等重大问题。

21世纪初的主要任务是依据纳米材料各种新颖的物理和化学特性，设计出各种新型的材料和器件。通过纳米材料科学技术对传统产品的改性，增加其高科技含量以及发展纳米结构的新型产品，目前已出现可喜的苗头，具备了形成21世纪经济新增长点的基础。纳米材料将成为材料科学领域一个大放异彩的明星展现在新材料、能源、信息等各个领域，发挥举足轻重的作用。随着其制备和改性技术的不断发展，纳米材料在精细化工和医药生产等诸多领域会得到日益广泛的应用。

以下针对本门开设的电子信息材料，我们这里着重介绍纳米材料在磁学和电学方面的应用前景。

（1）信息产业中的纳米技术：纳米技术在信息产业中应用主要表现在3个方面：①网络通讯、宽频带的网络通讯、纳米结构器件、芯片技术以及高清晰度数字显示技术。②光电子器件、分子电子器件、巨磁电子器件，这方面我国还很落后，但是这些原器件转为商品进入市场也还要10年时间，所以，中国要超前15年到20年对这些方面进行研究。③网络通讯的关键纳米器件，如网络通讯中激光、过滤器、谐振器、微电容、微电极等方面。

（2）具有铁磁性的纳米晶Ni、γ-Fe2O3、Fe3O4等可作为磁性材料。有的纳米

铁氧体会对作用在它的电磁波发生一定角度的偏转，这就是旋磁效应。其优点是电阻率高、频率响应好、电声效应高。

8．个人总结

在电子信息材料这门课上我们了解到许多采用量子效应的元器件已经推广，具有纳米尺度的半导体氧化物粒子在室温下具有比常规的氧化物高的导电特性，

因而能起到良好的静电屏蔽作用。此外，有些金属和合金具有超导性，临界温度只有23K，而纳米氧化物超导材料的临界温度可到达100K以上，可以用于电力输送等方面。有的电子元件希望轻巧，但传统的材料制备技术不能够满足其性能要求，进而转向纳米材料方向发展。

纳米电子学是在纳米尺度范围内研究纳米结构物质及其组装体系所表现出来的特征和功能、变化规律与应用的学科。以纳米材料为物质基础，构建量子器件，实现纳米集成电路，从而实现量子计算机和量子通信系统的建立和信息计算、传输、处理等功能。根据“更小、更快、更冷”的发展目标，要求未来的电子器件要比现在的微电子器件的存储密度高，运行速度快，功耗小的功能。

在课余时间我参加了创新训练，所研究的课题就是利用溶胶凝胶法制备一种纳米材料，利用其多晶界、多缺陷的特点产生的空位充当锂离子电池电解质的导电媒介。

历史的车轮把人类从混饨初开的时代带人到一个新的千年，蒸汽机的发明给人类带来了巨大的动力，把农业经济推向了工业经济，电的发明又一次给人类带来了重大的社会变革，到了上个世纪末，人类进人了信息时代。纳米科学与技术带来了新的发展领域，前途无限广阔。纳米材料正日新月异地被研究出来，它们的神奇性能正在被开发。纳米材料的研究会有新的突破，它将会服务于人类，拓展我们的新生活。

参考文献：

【1】 唐元洪.纳米材料导论.湖南大学出版社.2011年6月；

【2】 张全勤.纳米技术新进展.国防工业出版社.2005年1月；

【3】 施利毅.纳米材料.华东理工大学出版社.2007年1月；

【4】 朱静.纳米材料和器件.清华大学出版社.2003年11月；

【5】 曾兆华.材料化学.化学工业出版社.2008年4月；

【6】 丁星兆.纳米材料的结构、性能及应用.材料导报.1997年8月。