纳米材料

纳米材料的表征简介和纳米效应，展示了纳米材料特性的综合分析和表征方法。详细解释了小尺寸效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应和表面效应对纳米材料宏观物理性质的影响。列出了纳米材料的种类，包括零维的纳米颗粒和原子团簇，二维的石墨烯和纳米薄膜等，显示了纳米材料在不同维度上的多样性。介绍了纳米材料的表征方法，涵盖了透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）等多种显微技术，以及X射线衍射、拉曼光谱、红外光谱和紫外可见光谱等光谱分析方法。

纳米材料

• 纳米材料的特性
  • 小尺寸效应
    • 用于解释宏观物理性质的改变，如纳米银变为黑色，是因为在变成纳米尺度后，在对光的吸收的基础上，对光的反射性能减弱，失去了金属光泽， 材料各向异性降低，如，铁磁性材料会变为超顺磁性材料。
    • 尺寸效应是指当材料尺寸小于或等于光波波长，德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度，材料的光电声磁热力学性能发生改变
  • 量子尺寸效应
    • 粒子尺寸下降到某一数值，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存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据分子轨道能级而使能级变宽的现象。
    • 纳米银变为非导体，是因为纳米化后，空带和导带间有较大空隙，电子不能自由跃迁，导电性下降。
  • 宏观量子隧道效应
    • 当纳米材料的尺寸降低到与量子隧道尺度相当时，量子隧道效应变得显著。
    • 由于电子具有波动性而具有穿过势垒的几率，如纳米二氧化硅为导体，就是因为在纳米尺度下，量子隧道效应会导致电子可以穿越能垒，从而实现更高的电子迁移率。
  • 表面效应
    • 纳米粒子的表面原子数目随总原子数目变化而变化的现象，表现为，材料活性升高，易燃烧。如纳米银的熔点降低，pt纳米化为很好的催化剂，且pt纳米化后可在空气中燃烧
    • 表面原子配位不饱和导致大量不饱和键，表面能高，表面原子极不稳定，具有高的活性
• 纳米材料的特性
  • 熔点和烧结温度显著降低（表面效应）
  • 宽频带强吸收对可见光的反射率降低吸收增加，故纳米金属材料呈现黑色，
  • 吸收带向短波方向移动，主要是量子尺寸效应，能级离散，从而导致吸收光能量变大，发生蓝移。同时，由于表面效应，表面张力增大，原子间距离变短，键长缩短，使红外吸收带移向高波数。
  • 材料活性升高
  • 材料各向异性降低，铁磁性材料会变为超顺磁性材料。
  • 电阻增大
  • 吸收光谱红移，空位杂质的存在使平均原子间距增大，能级间距变窄。
• 纳米材料的种类
  • 零维
    • 空间三维方向均为纳米尺度，如纳米颗粒，原子团簇等
  • 一维
    • 纳米管纳米线（）
  • 二维
    • 石墨烯，纳米薄膜
• 纳米材料的表征
  • 透射电子显微镜：透视电子显微镜（TEM）利用电子束穿透样品，从而观察样品内部超微结构的显微镜
  • 扫描电子显微镜：扫描电子显微镜（ SEM），主要用于观察固态物质的表面超微结构
  • 原子力显微镜：原子力显微镜（AFM）能够在纳米级别上观察和探测各种材料和样品
  • X射线衍射：x光衍射指的是X光通过晶体时会产生衍射现象，由此可以检测出晶体的内部结构。
  • 拉曼光谱：拉曼光谱学，借助于观察被测样品拉曼散射的频率、强度、偏振等性质来研究分子结构和性质的学科。
  • 红外光谱：红外光谱是分子能选择性吸收某些波长的红外线
  • 紫外可见光谱：紫外吸收光谱和可见吸收光谱都属于电子光谱，它们都是由于价电子的跃迁而产生的