纳米材料的性能特点

10.4.1　纳米材料的性能特点

纳米材料由两种组元构成：晶体组元和界面组元。晶体组元由所有晶粒中的内部原子组成，这些原子都严格位于晶格位置；界面组元由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。超微晶粒内部的有序原子与超微晶粒的界面无序原子各占薄膜总原子数的50%左右。虽然这种超微粒由晶粒或非晶态物质组成，但其界面无规则分布。纳米固体中的原子排列既不同于长程有序的晶体，也不同于长程无序、短程有序的“气体状”（gas like）固体结构。因此，一些研究人员把纳米材料称之为晶态、非晶态之外的“第三态固体材料”。

纳米粒子属于原子簇与宏观物体交界的过渡区域，该系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，而是具有一系列新异的特性。当小颗粒尺寸进入纳米量级时，其本身和由它构成的纳米固体主要具有如下三个方面效应，并由此派生出传统固体不具备的许多特殊性质。

1．尺寸效应

当超微粒子的尺寸与光波波长、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，周期性的边界条件将被破坏，声、光、电磁、热力学等特性均会呈现新的尺寸效应。例如，蒸汽压增大、熔点降低，光吸收显著增加并产生吸收峰的等离子共振频移，磁有序态向磁无序态转变、超导相向正常相转变等。

2．表面与界面效应

纳米微粒尺寸小，表面大，位于表面的原子占相当大的比例。随着粒径减小，表面急剧变大，引起表面原子数迅速增加。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；粒径小到2nm时，比表面积猛增到459m²/g。这样高的比表面，使处于表面的原子数越来越多，大大增强了纳米粒子的活性。例如，金属的纳米粒子在空气中会燃烧，无机材料的纳米粒子暴露在大气中会吸附气体，并与气体进行反应。

3.量子尺寸效应

量子尺寸效应在微电子学和光电子学中一直占有显赫的地位，根据这一效应已经设计出许多优越特性的器件。半导体的能带结构在半导体器件设计中非常重要，随着半导体颗粒尺寸的减小，价带和导带之间的能隙有增大的趋势，这就使即便是同一种材料，它的光吸收或者发光带的特征波长也不同。实验发现，随着颗粒尺寸的减小，发光的颜色依次为红色——绿色——蓝色，即发光带的波长由690 nm移向480 nm。把随着颗粒尺寸减小，能隙加宽发生蓝移的现象称为量子尺寸效应。一般来说，导致纳米微粒的磁、光、声、热、电及超导电性与宏观特性显著不同的效应称为量子尺寸效应。

上述三个效应是纳米微粒与纳米固体的基本特性。它使纳米微粒和纳米固体显现出许多奇异的物理、化学性质，出现一些“反常现象”。例如，金属为导体，但纳米金属微粒在低温下，由于量子尺寸效应会呈现绝缘性；一般钛酸铅、钛酸钡和钛酸锶等是典型铁电体，但当尺寸进入纳米数量级就会变成顺电体；铁磁性物质进入纳米尺寸，由于多磁畴变成单磁畴显示出极高的矫顽力；当粒径为十几纳米的氮化硅微粒组成纳米陶瓷时，已不具有典型共价键特征，界面键结构出现部分极性，在交流电下电阻变小等。