超微粉體特性實(shí)用教案

1、目錄(ml)3.1 表面效應(yīng)3.2 小尺寸(ch cun)效應(yīng)3.3 量子效應(yīng)第1頁/共39頁第一頁，共40頁。超微粉體特性(txng) 超微粉體材料具有(jyu)傳統(tǒng)材料所不具備的奇異或反常的物理、化學(xué)特性，如原本導(dǎo)電的銅到某一納米級(jí)界限就不導(dǎo)電，原來絕緣的二氧化硅、晶體等，在某一納米級(jí)界限時(shí)開始導(dǎo)電。 這是由于超微粉體材料具有(jyu)顆粒尺寸小、比表面積大、表面能高、表面原子所占比例大等特點(diǎn)，以及其特有的三大效應(yīng)： 表面效應(yīng) 小尺寸效應(yīng) 量子效應(yīng)第2頁/共39頁第二頁，共40頁。3.1 表面(biomin)效應(yīng) 表面效應(yīng)(surface effect)是指納米粒子(lz)的表面原子數(shù)與總

2、原子數(shù)之比隨著粒子(lz)尺寸的減小而大幅度的增加，粒子(lz)的表面能及表面張力也隨著增加，從而引起納米粒子(lz)物理、化學(xué)性質(zhì)的變化。100納米10納米1納米0.1納米隨著尺寸的減小，比表面積迅速增大第3頁/共39頁第三頁，共40頁。 納米粒子的表面原子所處的晶體場環(huán)境及結(jié)合能與內(nèi)部原子有所不同，存在許多懸空鍵，具有不飽和性質(zhì)，因而極易與其他原子相結(jié)合而趨于穩(wěn)定，具有很高的化學(xué)(huxu)活性。比表面積的增加表面原子數(shù)的增加表面能材料表面的懸空鍵第4頁/共39頁第四頁，共40頁。比表面積的增加(zngji) 比表面積(specific area)常用總表面積與質(zhì)量(zhling)或總體積

3、的比值表示。質(zhì)量(zhling)比表面積、體積比表面積。GSSg/VSSv/(G代表質(zhì)量(zhling) (V代表顆粒的體積)第5頁/共39頁第五頁，共40頁。 當(dāng)顆粒細(xì)化時(shí)，粒子逐漸減小時(shí)，總表面積急劇增大(zn d)，比表面積相應(yīng)的也急劇加大。 如：把邊長為1cm的立方體逐漸分割減小的立 方體，總表面積將明顯增加。邊長邊長立方體數(shù)立方體數(shù)每面面積每面面積總 表 面總 表 面積積1 cm10-5 cm (100 nm)10-6 cm (10 nm)10-7 cm (1 nm)11015101810211 cm210-8 cm210-12 cm210-14 cm26 cm26105cm2610

4、6cm26107cm2這樣(zhyng)高的比表面，使處于表面的原子數(shù)越來越多，同時(shí)表面能迅速增加。第6頁/共39頁第六頁，共40頁。表面(biomin)原子數(shù)的增加 由于粒子尺寸減小時(shí)，表面積增大，使處于(chy)表面的原子數(shù)也急劇增加。第7頁/共39頁第七頁，共40頁。表面原子數(shù)占全部(qunb)(qunb)原子數(shù)的比例和粒徑之間的關(guān)系第8頁/共39頁第八頁，共40頁。表面(biomin)能 由于表層原子的狀態(tài)與本體中不同。表面原子配位不足，因而具有較高的表面能。如果把一個(gè)原子或分子從內(nèi)部(nib)移到界面，或者說增大表面積，就必須克服體系內(nèi)部(nib)分子之間的吸引力而對(duì)體系做功。 顆粒

5、細(xì)化時(shí)，表面積增大，需要對(duì)其做功，所做的功部分轉(zhuǎn)化為表面能儲(chǔ)存在體系中。 因此，顆粒細(xì)化時(shí)，體系的表面能增加了。第9頁/共39頁第九頁，共40頁。準(zhǔn)固體(gt) 超微顆粒的表面與大塊物體的表面是十分不同的，若用高倍率電子顯微鏡對(duì)金超微顆粒（直徑為 2*10-3微米）進(jìn)行電視攝像，實(shí)時(shí)觀察發(fā)現(xiàn)這些顆粒沒有固定的形態(tài)，隨著時(shí)間(shjin)的變化會(huì)自動(dòng)形成各種形狀（如立方八面體，十面體等），它既不同于一般固體，又不同于液體，是一種準(zhǔn)固體。在電子顯微鏡的電子束照射下，表面原子仿佛進(jìn)入了“沸騰”狀態(tài)，尺寸大于10納米后才看不到這種顆粒結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性，這時(shí)微顆粒具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。第10頁/共39頁第十

6、頁，共40頁。 由于表面原子數(shù)增多，原子配位不足(bz)及高的表面能，使這些表面原子具有高的活性，極不穩(wěn)定，很容易與其他原子結(jié)合(表面吸附，為了降低表面能)。 例如金屬的納米顆粒在空氣中會(huì)迅速氧化燃燒，甚至爆炸；無機(jī)的納米粒子暴露在空氣中會(huì)吸附氣體，并與氣體進(jìn)行反應(yīng)。第11頁/共39頁第十一頁，共40頁。表面效應(yīng)的主要(zhyo)影響1、表面化學(xué)反應(yīng)活性(可參與反應(yīng))。2、催化活性。3、納米材料的（不）穩(wěn)定性。4、鐵磁質(zhì)的居里溫度降低。5、熔點(diǎn)降低。6、燒結(jié)溫度降低。7、晶化溫度降低。8、納米材料的超塑性和超延展性。9、介電材料的高介電常數(shù)(ji din chn sh)（界面極化）。10、吸收

7、光譜的紅移現(xiàn)象。第12頁/共39頁第十二頁，共40頁。3.2 小尺寸(ch cun)效應(yīng) 隨著顆粒尺寸(ch cun)的量變，在一定條件下會(huì)引起顆粒性質(zhì)的質(zhì)變。由于顆粒尺寸(ch cun)變小所引起的宏觀物理性質(zhì)的變化稱為小尺寸(ch cun)效應(yīng)。對(duì)超微顆粒而言，尺寸(ch cun)變小，同時(shí)其比表面積亦顯著增加，從而產(chǎn)生如下一系列新奇的性質(zhì)。 第13頁/共39頁第十三頁，共40頁。質(zhì)變(zhbin)特殊的光學(xué)性質(zhì)：消光性特殊的熱學(xué)(rxu)性質(zhì)：熔點(diǎn)降低特殊的磁學(xué)性質(zhì)：高矯頑力特殊的力學(xué)性質(zhì)：高強(qiáng)度、高韌性第14頁/共39頁第十四頁，共40頁。特殊(tsh)的光學(xué)性質(zhì)黃金是什么顏色？當(dāng)黃金

8、被細(xì)分到小于光波波長的尺寸時(shí)，即失去了原有的富貴光澤(gungz)而呈黑色。事實(shí)上，所有的金屬在超微顆粒狀態(tài)都呈現(xiàn)為黑色。尺寸越小，顏色愈黑，銀白色的鉑（白金）變成鉑黑，金屬鉻變成鉻黑。由此可見，金屬超微顆粒對(duì)光的反射率很低，通?？傻陀趌，大約幾微米的厚度就能完全消光。第15頁/共39頁第十五頁，共40頁。 金屬微粒的色彩往往不同于大塊材料(cilio)，當(dāng)金屬微粒的尺寸小于一定值時(shí)，由于光波的全吸收通常呈現(xiàn)黑色。對(duì)太陽光譜似乎具有全吸收性質(zhì)，因此通常又稱為“太陽黑體”。太陽(tiyng)黑體第16頁/共39頁第十六頁，共40頁。應(yīng)用(yngyng) 太陽光中的紫外線是導(dǎo)致灼傷、間接色素沉積和

9、皮膚癌的主要根源，灼傷主要表現(xiàn)皮膚出現(xiàn)紅斑，嚴(yán)重者還可能伴有水腫、水皰、脫皮、發(fā)燒和惡心的癥狀。 長期作用于皮膚可造成皮膚彈性降低、皮膚粗糙和皺紋增多等光老化現(xiàn)象，納米(n m)氧化鋅能夠吸收紫外線，同時(shí)對(duì)可見光的吸收較少，近年來在防曬化妝品中得到廣泛應(yīng)用。第17頁/共39頁第十七頁，共40頁。 利用這個(gè)特性可以作為高效率的光熱、光電等轉(zhuǎn)換材料，可以高效率地將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋㈦娔?dinnng)。此外又有可能應(yīng)用于紅外敏感元件、紅外隱身技術(shù)等。第18頁/共39頁第十八頁，共40頁。特殊(tsh)的熱學(xué)性質(zhì) 固態(tài)物質(zhì)在其形態(tài)為大尺寸(ch cun)時(shí)，其熔點(diǎn)是固定的，超細(xì)微化后卻發(fā)現(xiàn)其熔點(diǎn)將顯

10、著降低，當(dāng)顆粒小于10納米量級(jí)時(shí)尤為顯著。 例如，金的常規(guī)熔點(diǎn)為1064，當(dāng)顆粒尺寸(ch cun)減小到10納米尺寸(ch cun)時(shí)，則降低27，2納米尺寸(ch cun)時(shí)的熔點(diǎn)僅為327左右； 銀的常規(guī)熔點(diǎn)為670，而超微銀顆粒的熔點(diǎn)可低于100。第19頁/共39頁第十九頁，共40頁。應(yīng)用(yngyng) 因此，超細(xì)銀粉制成的導(dǎo)電漿料可以進(jìn)行低溫?zé)Y(jié)，此時(shí)元件的基片不必采用(ciyng)耐高溫的陶瓷材料，甚至可用塑料。采用(ciyng)超細(xì)銀粉漿料，可使膜厚均勻，覆蓋面積大，既省料又具高質(zhì)量。第20頁/共39頁第二十頁，共40頁。 超微顆粒熔點(diǎn)下降的性質(zhì)對(duì)粉末冶金(fn m y jn)

11、工業(yè)具有一定的吸引力。例如，在鎢顆粒中附加0.10.5重量比的超微鎳顆粒后，可使燒結(jié)溫度從3000降低到12001300，以致可在較低的溫度下燒制成大功率半導(dǎo)體管的基片。第21頁/共39頁第二十一頁，共40頁。特殊(tsh)的磁學(xué)性質(zhì) 人們發(fā)現(xiàn)鴿子、海豚、蝴蝶(hdi)、蜜蜂以及生活在水中的趨磁細(xì)菌等生物體中存在超微的磁性顆粒，使這類生物在地磁場導(dǎo)航下能辨別方向，具有回歸的本領(lǐng)。 磁性超微顆粒實(shí)質(zhì)上是一個(gè)生物磁羅盤，生活在水中的細(xì)菌依靠它游向營養(yǎng)豐富的水底。通過電子顯微鏡的研究表明，在趨磁細(xì)菌體內(nèi)通常含有直徑約為 2*10-2微米的磁性氧化物顆粒。第22頁/共39頁第二十二頁，共40頁。 磁性

12、納米材料的特性不同于常規(guī)的磁性材料，其原因是關(guān)聯(lián)與磁相關(guān)的特征物理長度恰好處于納米量級(jí)，例如：磁單疇尺寸(ch cun)，超順磁性臨界尺寸(ch cun)電子平均自由路程 當(dāng)磁性體的尺寸(ch cun)與這些特征物理長度相當(dāng)時(shí)，就會(huì)呈現(xiàn)反常的磁學(xué)性質(zhì)。第23頁/共39頁第二十三頁，共40頁。應(yīng)用(yngyng) 利用磁性超微顆粒具有高矯頑力的特性，已作成高貯存密度的磁記錄磁粉，大量應(yīng)用于磁帶、磁盤、磁卡以及(yj)磁性鑰匙等。 利用超順磁性，人們已將磁性超微顆粒制成用途廣泛的磁性液體。第24頁/共39頁第二十四頁，共40頁。特殊(tsh)的力學(xué)性質(zhì) 陶瓷材料在通常情況下呈脆性，然而由納米超微顆

13、粒壓制(yzh)成的納米陶瓷材料卻具有良好的韌性。 因?yàn)榧{米材料具有大的界面，界面的原子排列是相當(dāng)混亂的，原子在外力變形的條件下很容易遷移，因此表現(xiàn)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(xué)性質(zhì)。第25頁/共39頁第二十五頁，共40頁。 呈納米晶粒的金屬要比傳統(tǒng)的粗晶粒金屬硬35倍。至于金屬-陶瓷等復(fù)合納米材料則可在更大的范圍內(nèi)改變材料的力學(xué)性質(zhì)，其應(yīng)用前景十分寬廣。 美國學(xué)者報(bào)道氟化鈣納米材料在室溫下可以大幅度彎曲而不斷裂。研究表明，人的牙齒之所以具有(jyu)很高的強(qiáng)度，是因?yàn)樗怯闪姿徕}等納米材料構(gòu)成的。第26頁/共39頁第二十六頁，共40頁。碳納米管 1991年日本NEC公司

14、飯島等發(fā)現(xiàn)納米碳管，立刻引起(ynq)了許多科技領(lǐng)域的科學(xué)家們極大關(guān)注。 第27頁/共39頁第二十七頁，共40頁。具有(jyu)極好的可彎折性第28頁/共39頁第二十八頁，共40頁。 碳納米管的強(qiáng)度比鋼高100多倍， 這是目前可制備出的具有最高比強(qiáng)度的材料，而比重卻只有鋼的1/6；同時(shí)碳納米管還具有極高的韌性，十分柔軟。它被認(rèn)為是未來的 “超級(jí)纖維”，是復(fù)合材料(f h ci lio)中極好的加強(qiáng)材料。第29頁/共39頁第二十九頁，共40頁。3.3 量子(lingz)效應(yīng) 各種元素的原子具有( jyu)特定的光譜線，如鈉原子具有( jyu)黃色的光譜線。原子模型與量子力學(xué)已用能級(jí)的概念進(jìn)行了合

15、理的解釋，由無數(shù)的原子構(gòu)成固體時(shí)，單獨(dú)原子的能級(jí)就并合成能帶，由于電子數(shù)目很多，能帶中能級(jí)的間距很小，因此可以看作是連續(xù)的。第30頁/共39頁第三十頁，共40頁。量子(lingz)尺寸效應(yīng) 從能帶理論出發(fā)成功地解釋了大塊金屬、半導(dǎo)體、絕緣體之間的聯(lián)系與區(qū)別，對(duì)介于原子、分子與大塊固體之間的超微顆粒而言，大塊材料(cilio)中連續(xù)的能帶將分裂為分立的能級(jí)；能級(jí)間的間距隨顆粒尺寸減小而增大。 當(dāng)熱能、電場能或者磁場能比平均的能級(jí)間距還小時(shí)，就會(huì)呈現(xiàn)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(yīng)。第31頁/共39頁第三十一頁，共40頁。應(yīng)用(yngyng) 導(dǎo)電的金屬在超微顆粒時(shí)可以變成絕

16、緣體，磁矩的大小和顆粒中電子是奇數(shù)還是偶數(shù)有關(guān)，比熱(br)亦會(huì)反常變化，光譜線會(huì)產(chǎn)生向短波長方向的移動(dòng)，這就是量子尺寸效應(yīng)的宏觀表現(xiàn)。 因此，對(duì)超微顆粒在低溫條件下必須考慮量子效應(yīng)，原有宏觀規(guī)律已不再成立。第32頁/共39頁第三十二頁，共40頁。量子(lingz)隧道效應(yīng) 經(jīng)典物理學(xué)認(rèn)為，物體越過勢壘，有一閾值能量；粒子能量小于此能量則不能越過，大于此能量則可以越過。 例如騎自行車過小坡，先用力騎，如果坡很低，不蹬自行車也能靠慣性過去。如果坡很高，不蹬自行車，車到一半(ybn)就停住，然后退回去。 第33頁/共39頁第三十三頁，共40頁。 量子力學(xué)則認(rèn)為，即使粒子能量小于閾值能量，很多粒子沖

17、向勢壘，一部分粒子反彈(fn dn)，還會(huì)有一些粒子能過去，好像有一個(gè)隧道，故名隧道效應(yīng)（quantum tunneling）。 電子具有粒子性又具有波動(dòng)性，因此存在隧道效應(yīng)。微觀粒子具有貫穿勢壘的能力稱為隧道效應(yīng)。第34頁/共39頁第三十四頁，共40頁。隧道(sudo)效應(yīng)示意圖第35頁/共39頁第三十五頁，共40頁。 量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)將會(huì)是未來微電子、光電子器件的基礎(chǔ)，或者它確立了現(xiàn)存微電子器件進(jìn)一步微型化的極限，當(dāng)微電子器件進(jìn)一步微型化時(shí)必須要考慮(kol)上述的量子效應(yīng)。第36頁/共39頁第三十六頁，共40頁。應(yīng)用(yngyng) 在制造半導(dǎo)體集成電路時(shí)，當(dāng)電路的尺寸接近電子波長時(shí)，電子就通過隧道效應(yīng)而溢出器件，使器件無法(wf)正常工作，經(jīng)典電路的極限尺寸大概在025微米。目前研制的量子共振隧穿晶體管就是利用量子效應(yīng)制成的新一代器件。第37頁/共39頁第三十七頁，共40頁。其它(qt)效