第14章无机功能材料12.pdf

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1、第第14章章 无机功能材料无机功能材料用用树枝、泥巴树枝、泥巴盖起来的房子盖起来的房子用用石头石头建造的古罗马斗兽场建造的古罗马斗兽场用用砖、石头砖、石头等建的古代城墙等建的古代城墙用用砖砖盖起来的城堡盖起来的城堡巴黎埃菲尔巴黎埃菲尔铁铁塔塔用各种用各种金属材料金属材料建造的高楼大厦建造的高楼大厦用多种用多种复合材料复合材料装饰的现代居室装饰的现代居室用多种用多种高科技高科技材料制造的波音材料制造的波音777飞机飞机高科技耐高温隔热材料高科技耐高温隔热材料塑料塑料汽车汽车用高温结构陶瓷做的发动机叶片用高温结构陶瓷做的发动机叶片石英玻璃石英玻璃玻璃纤维玻璃纤维每一种新材料的诞生都标志着新技术的进

2、步。材料的品种非常繁多，到目前为止，各种新材料已经达到三十万种，而且还以每年百分之五的增长率不断增加。材料的品种虽然繁多，但是在化学上大致可以分成三大类，即金属材料、有机高分子材料和无机非金属材料，这三大材料家族三分天下，鼎足而立，构成了庞大的材料王国。材料的分类材料的分类化学组成化学组成使用功能使用功能无机非金属材料（如硅酸盐）无机非金属材料（如硅酸盐）金属材料（如合金材料）金属材料（如合金材料）有机高分子材料（如橡胶材料）有机高分子材料（如橡胶材料）功能材料功能材料结构材料结构材料材料材料材料材料我们常见的水泥、玻璃、陶瓷，就是无机非金属材料（结构材料和功能材料），这一类材料已经有长远的历

3、史了。功能材料可分为无机功能材料和有机功能材料。近年来无机功能材料发展迅速，这是一些具有特殊功能、特殊性质的新型材料，如半导体材料、激光材料、超导材料、磁性材料、电子材料、压电材料、光电材料等等。它们在现代科学技术领域中，有各种神奇妙用。什么是功能材料什么是功能材料在声、光、电、磁、热及化学性能上有特殊效应的材料。在声、光、电、磁、热及化学性能上有特殊效应的材料。功能材料可归纳为：功能材料可归纳为：电功能材料、磁功能材料、光功能材料、热功能材料、电功能材料、磁功能材料、光功能材料、热功能材料、声功能材料、能源功能材料、机械功能材料、化学功能材料和声功能材料、能源功能材料、机械功能材料、化学功能

4、材料和医用功能材料等九大类。医用功能材料等九大类。功能材料一般可将一种物理量转换成另一种物理量，例如功能材料一般可将一种物理量转换成另一种物理量，例如太阳能电池的光电转换。太阳能电池的光电转换。随着社会发展和科学技术的突飞猛进，人们对功能材料的需求日益迫切。新的功能材料已成为新技术和新兴工业发展的关键。没有超纯石英玻璃纤维，激光-光纤通信就难以实现；高分子反渗透薄膜应用于海水淡化，正在代替耗能大、成本高的蒸发法和离子交换法；非晶硅光电材料，使太阳能电池具有工业应用意义。压电、热敏、光敏、透红外、微波、传感、电磁、换能及生物功能陶瓷、形状记忆合金、超导材料、防振合金、超塑性金属、超微粒子。无机功

5、能材料无机功能材料.储氢材料储氢材料压电材料压电材料（铁电材料铁电材料，热电材料热电材料）磁性材料磁性材料非线性光学材料非线性光学材料分子筛分子筛（微孔晶体材料微孔晶体材料）半导体材料半导体材料超导材料超导材料纳米材料纳米材料储氢材料储氢材料某些过渡金属和合金具有可逆吸收和某些过渡金属和合金具有可逆吸收和释放氢气的作用。释放氢气的作用。2Pd+H22PdHLaNi5+3H2LaNi5H6298K,2.5102kPa微热微热1体积体积 金属金属Pd 可吸收可吸收 700 体积体积 H2，减压或加热可使其分解，减压或加热可使其分解含含H2量大于同体积液氢量大于同体积液氢压电性压电性:1880188

6、0年年P P居里和居里和J J居里兄弟发现：当居里兄弟发现：当对对石英晶体在某些特定方向上加力时，在石英晶体在某些特定方向上加力时，在力方向的垂直平面上出现正、负束缚电荷，力方向的垂直平面上出现正、负束缚电荷，这种现象称为压电效应。这种现象称为压电效应。典型的压电材料：典型的压电材料：压电晶体压电晶体 石英、酒石酸钾钠、石英、酒石酸钾钠、磷酸二氢铵、钽酸锂、铌酸锂、碘酸锂等；磷酸二氢铵、钽酸锂、铌酸锂、碘酸锂等；压电陶瓷压电陶瓷 钛酸钡（钛酸钡（BaTiO3）、钛酸铅）、钛酸铅（PbTiO3）、高钛酸铅等。）、高钛酸铅等。压电材料的应用：压电材料的应用：水声换能器、超声器件、高电水声换能器、超

7、声器件、高电压发生器、电声器件、压力机、流量计、计压发生器、电声器件、压力机、流量计、计数器等。数器等。压电材料压电材料石英 石英钟（晶振元件）BaTiO3 PbZrO3铁电材料铁电材料铁电体是这样的晶体：其中存在自发极化，且自发极化有两个或多个可能的取向，在电场作用下，其取向可以改变。铁铁 电电 存存 储储 器器由于铁电材料具有自发极化，利用外电场作用下自发极化的转向可以做成铁电存储器地铁票、行李标签、免接触的信用卡等铁电探测器铁电探测器1、铁电热电探测器器件设计器件设计探测器探测器效果图效果图2、利用铁电的压电压电性做成的探测器潜艇上声纳的探头医用 B 超探头磁性材料鉄磁材料非线性光学材料

8、非线性光学材料10ijijkijklijjjjkkjjkklljkljkliPPEEEEEEEEEE（）（2）（3）引起的满足非线性关系式中、分别为电场、对应的角频率，右边第一项表示线性光学 效应；第二、第三项分别表示二次、三次非线性光学效应。电极化强度 较强光波电材料：场由（激光）主要的非线性光学材料主要的非线性光学材料ijkijkl非线性光学系数(、.)要大；能实现相位匹配（基频光与倍频光）；透光波段要宽，透明度要高；具有较高的抗光损伤阈值和光转换效率；物化性能稳定，硬度大，不潮解，温度稳定性：好。非线性光学材料的性能要求KDPm为人工生长的多功能性晶体（半个多世纪），具有较大的非线性光学

9、系数和较高的抗激光损伤阈值，从近红外到紫外波段都有很高的透过率，可对1.06激光实现二倍频、三倍频和四倍频。（磷酸：二氢钾）晶体KDPYAGKTPm20世纪70年代发现、80年代得到广泛应用，具有非常大的非线性光学系数（约为的520倍）；在室温下能实现相位匹配，对温度和角度变化不敏感；在0.354.5波段内透光性能良好；机械性能优良，化学性质稳定，不潮解，耐高温，主要用于激光器的腔内、腔外倍频，以便获得高功率的绿色激光光源。：（磷酸钛氧钾）晶体YAGBBO20世纪70年代末由中科院福建物质结构所发现和研制，80年代后远销欧、美、日等国家和地区，主要用于激光器的二倍频、三倍频及四倍频泵浦的 参量

10、振荡器和光参量放大器等。（偏硼酸钡：）晶体LN一种重要的多功能晶体，具有较大的非线性光学系数；能实现非临界相位匹配；但由于其激光损伤阈值较低而降低了其激光二次谐波发生作用，主要用于制作激光倍频器件、光参量振荡器和集成光学元件等。（铌酸锂）晶：体AgGaS2一种半导体型非线性光学晶体，主要用于制作红外波段的激光倍频、混频等器件。晶体：LLAPLm一种由天然碱性氨基酸（即 精氨酸分子）和无机酸（即磷酸分子）组成的有机盐晶体，性能优良，是当前较好的紫外频率变换材料，对1.064的激光可实现倍频、三倍频和四倍频，并可制成多频率转换器，还是用于激光核聚变的最佳材料之一。（精氨酸磷酸盐：）晶体什么是超导体

11、什么是超导体？1 1.零电阻零电阻将超导体冷却到某一临界温度（TC）以下时电阻突然降为零的现象称为超导体的零电阻现象。不同超导体的临界温度各不相同。例如，汞的临界温度为4.15K（K为绝对温度，0K相当于零下273），而高温超导体YBCO的临界温度为94K。超导材料超导材料2 2.完全抗磁性完全抗磁性当超导体冷却到临界温度以下而转变为超导态后，只要周围的外加磁场没有强到破坏超导性的程度，超导体就会把穿透到体内的磁力线完全排斥出体外，在超导体内永远保持磁感应强度为零。超导体的这种特殊性质被称为“迈斯纳效应”。迈斯纳效应与零电阻现象是超导体的两个基本特性，它们既互相独立，又密切联系。3 3.超导态

12、的临界参数超导态的临界参数 温度（TC）超导体必须冷却至某一临界温度以下才能保持其超导性。临界电流密度（JC）通过超导体的电流密度必须小于某一临界电流密度才能保持超导体的超导性。临界磁场（HC）施加给超导体的磁场必须小于某一临界磁场才能保持超导体的超导性。以上三个参数彼此关联，其相互关系如右图所示。目前已查明在常压下具有超导电性的元素金属有32种（如图元素周期表中青色方框所示），而在高压下或制成薄膜状时具有超导电性的元素金属有14种（如图元素周期表中绿色方框所示）。超超 导导 电电 性性一、超导电现象一、超导电现象1908年荷兰物理学家年荷兰物理学家 昂内斯成功地液化了氦。昂内斯成功地液化了氦

13、。1911年发现温度降到年发现温度降到4.2k附近，汞样品的电阻附近，汞样品的电阻突降至零，称这种性质为超导电性。具有超导电性突降至零，称这种性质为超导电性。具有超导电性的材料为超导体。的材料为超导体。超导体电阻为零的温度称为转变温度或超导体电阻为零的温度称为转变温度或临界温度（临界温度（Tc）。）。T 10-6R/R0温度温度 T/KHgT一些超导材料的临界温度一些超导材料的临界温度材料材料材料材料TC/KTC/KNb9.26Nb3Sn23.2W0.012Pb-In3.39 7.26BeAlInTaVPb0.0260.515Pb-BiNb-TiNb-ZrMo-CV3GaNb3AlNb3Ge8

14、.4 8.79.3 10.0210.8 111416.818.118.81.174Cd3.4164.485.307.2011986年，年，IBM苏黎世实验室发现苏黎世实验室发现 Tc=35 K 的的BaLaCaO系列；后又研制成系列；后又研制成 YBaCaO系系列高温超导材料，使列高温超导材料，使 Tc提高至提高至90K以上。以上。1987年年2月，中科院物理所赵忠贤等研制成月，中科院物理所赵忠贤等研制成Tc=92.8K 的高温超导材料。的高温超导材料。目前公认的目前公认的Tc记录是（记录是（Tl2Ba2 Ca2Cu3O10）125K。1994年，法国一科研小组宣布，他们研制的薄膜在年，法国一

15、科研小组宣布，他们研制的薄膜在250K时出现超导现象。时出现超导现象。氧化物超导氧化物超导体的转变温体的转变温度范围较宽，度范围较宽，如图：如图：Ts起始起始转变转变温度（温度（on set piont）.Tm转变温度（转变温度（midpoint）.Te 完全转变温度完全转变温度(end point)或零电阻温度或零电阻温度.T转变宽度。转变宽度。TeTmTS TT00.1R00.5R00.9R0R0R2、临界磁场与临界电流、临界磁场与临界电流材料的超导态会被外加磁场破坏而转成正常态，材料的超导态会被外加磁场破坏而转成正常态，所需要的最小磁场强度所需要的最小磁场强度 Hc 称为临界磁场。称为临

16、界磁场。)TT(1)0(H)T(H2ccc (T Tc，样品内有，样品内有磁场存在，若降低样品温度使其处于超导态时，磁场存在，若降低样品温度使其处于超导态时，则内部就没有磁场了。则内部就没有磁场了。冷却冷却(a)(a)先冷却后加磁场先冷却后加磁场B冷却冷却(b)(b)先加磁场后冷却先加磁场后冷却B使样品转变为超导态的过程中，无论先降温后使样品转变为超导态的过程中，无论先降温后加磁场；还是先加磁场后降温，超导体内部的加磁场；还是先加磁场后降温，超导体内部的总是为零，总是为零，迈斯纳效应。迈斯纳效应。B下图为超导体完全抗磁性的实验演示（磁悬浮）：下图为超导体完全抗磁性的实验演示（磁悬浮）：磁盘磁盘

17、超超导导铅铅球球液氦液氦液氦保护环境液氦保护环境4、同位素效应、同位素效应实验表明，物质的同位素的质量数越大，转变温度越低。实验表明，物质的同位素的质量数越大，转变温度越低。2/1cMT 称为同位素效应称为同位素效应明在超导电现象中，电子和晶格的相互作用是一个明在超导电现象中，电子和晶格的相互作用是一个重要的原因。重要的原因。三、三、BCS理论（超导电性的微观理论理论（超导电性的微观理论1957年，由巴丁（年，由巴丁（J.Bardeen）、库珀（）、库珀（L.V.Cooper）和施里弗（和施里弗（J.R.Schrieffer提出超导电性的量子理论。提出超导电性的量子理论。其中最主要的思想是库珀

18、提出的其中最主要的思想是库珀提出的电子对电子对概念概念1972年，三人共获诺贝尔物理学奖。年，三人共获诺贝尔物理学奖。1、超导电性的微观机理、超导电性的微观机理（1）当）当TTc时，热运动使库珀对分散为正常电子，超时，热运动使库珀对分散为正常电子，超导态导态正常态。正常态。（2）如果在处于超导态的超导材料上加磁场，所）如果在处于超导态的超导材料上加磁场，所有库珀对将受到磁场作用，当有库珀对将受到磁场作用，当HHc时，磁能密度等时，磁能密度等于库珀对的结合能密度，所有库珀对都获得能量而被于库珀对的结合能密度，所有库珀对都获得能量而被拆散，超导态拆散，超导态正常态。正常态。BCS理论能够解释大量的

19、超导现象和实验事实，理论能够解释大量的超导现象和实验事实，是一个比较成功的理论。是一个比较成功的理论。2、库珀对的形成、库珀对的形成电子电子A在晶格间运动，以库仑力在晶格间运动，以库仑力吸引附近的晶格离子，形成一个吸引附近的晶格离子，形成一个正电荷相对集中的区域。正电荷相对集中的区域。离子偏离平衡位置而振动离子偏离平衡位置而振动格格波，格波也是量子化的，其量波，格波也是量子化的，其量子称为声子。子称为声子。形成格波的过程相当于形成格波的过程相当于电子电子发射出一个声子。发射出一个声子。q（声子）声子）电子电子A电子电子B传播着的正电荷区又可以吸引另一个运动着的电传播着的正电荷区又可以吸引另一个

20、运动着的电子，将动量和能量传递给这个电子，相当于该电子吸子，将动量和能量传递给这个电子，相当于该电子吸引了声子，整个过程的净效果是两个电子通过交换一引了声子，整个过程的净效果是两个电子通过交换一个声子而彼此相互吸引。个声子而彼此相互吸引。电子电子A电子电子B声子声子BCSBCS理论证明，对于电理论证明，对于电子和晶格相互作用强的材子和晶格相互作用强的材料，在一定低温条件下，料，在一定低温条件下，超导体中的电子间的吸引超导体中的电子间的吸引力可以超过库仑斥力，使力可以超过库仑斥力，使交换声子的两个电子束缚交换声子的两个电子束缚在一起形成电子对（库珀在一起形成电子对（库珀对）。对）。形成库珀对的两

21、个电子动量等值反向、自旋形成库珀对的两个电子动量等值反向、自旋相反。它们在空间的距离约为相反。它们在空间的距离约为106m，是晶格常数，是晶格常数的一万倍。可见的一万倍。可见库珀对库珀对在空间的延伸范围是很大的，在空间的延伸范围是很大的，事实上必然存在许多事实上必然存在许多库珀对库珀对互相重迭交叉地分布在互相重迭交叉地分布在同一空间范围。说明处于超导态下的材料中的这些同一空间范围。说明处于超导态下的材料中的这些电子的运动是彼此关联的。电子的运动是彼此关联的。四、超导电性的应用及展望四、超导电性的应用及展望随着实用超导材料和低温技术的不断发展，超导随着实用超导材料和低温技术的不断发展，超导电性在

22、技术中的应用越来越广泛、电性在技术中的应用越来越广泛、例如：产生例如：产生5T的磁场，常规电磁铁需要的磁场，常规电磁铁需要20吨，而超吨，而超导体仅几公斤；目前，超导磁体的最高磁场达导体仅几公斤；目前，超导磁体的最高磁场达30T，消耗功率仅为消耗功率仅为15kw，而常规电磁铁所需功率将达，而常规电磁铁所需功率将达7Mw。超导磁体已广泛应用在大型加速器、受控核。超导磁体已广泛应用在大型加速器、受控核聚变、磁流体发电、高分辨率电子显微镜、核磁共聚变、磁流体发电、高分辨率电子显微镜、核磁共振仪等装置。振仪等装置。1、超导磁体、超导磁体用超导线圈制成的超导磁体具有轻便、低损耗、用超导线圈制成的超导磁体

23、具有轻便、低损耗、能产生强磁场的优点。能产生强磁场的优点。2、电力工程、电力工程可用于超导电缆输电、超导发电机、电动机、可用于超导电缆输电、超导发电机、电动机、超导储能等方面。超导储能等方面。1969年，英国制成一台年，英国制成一台2400KW的直流超导电的直流超导电机，负载运行试验成功。采用超导电输电不需要高机，负载运行试验成功。采用超导电输电不需要高压，可采用直流电输送，传输线可铺设在地下管道压，可采用直流电输送，传输线可铺设在地下管道而不用架设铁塔。而不用架设铁塔。2000年年11月月27日，北京有色金属研究总院宣布：日，北京有色金属研究总院宣布：我国超导研究获得重大突破。第一根百米长铋

24、我国超导研究获得重大突破。第一根百米长铋系高温超导带材（系高温超导带材（116m长，宽长，宽3.6mm,厚厚0.28mm）（77K液氮温度，临界电流液氮温度，临界电流12.7A）研究成功，）研究成功，达到国际先进水平。达到国际先进水平。3、磁悬浮列车、磁悬浮列车利用超导磁体和路基导体中感应涡流间的磁利用超导磁体和路基导体中感应涡流间的磁性排斥力，使列车悬浮起来运行。日本的超导磁悬性排斥力，使列车悬浮起来运行。日本的超导磁悬浮列车已于浮列车已于1979年创出时速年创出时速505公里的记录。公里的记录。4、超导计算机、超导计算机由于载流的约瑟夫森结可以处在有电压和无电压两由于载流的约瑟夫森结可以处

25、在有电压和无电压两种状态，所以能用作二进制数码的存储和记忆元件。现种状态，所以能用作二进制数码的存储和记忆元件。现已开始研制的约瑟夫森计算机，比晶体管集成电路计算已开始研制的约瑟夫森计算机，比晶体管集成电路计算机相应速度快机相应速度快100倍。倍。五、碳五、碳60分子（分子（C60）超导体）超导体1990年，掺杂年，掺杂C60超导的发现又引起了全球超导的发现又引起了全球性的重视。性的重视。C60分子是由分子是由12个正五边形和个正五边形和20个正六边形组个正六边形组成的成的32面体，碳面体，碳分子分布在其顶分子分布在其顶点。点。1991年年4月，（美国贝尔实验室），月，（美国贝尔实验室），C6

26、0掺入少掺入少量钾原子，量钾原子，Ts为为18K；7月，（日本月，（日本NEC电子公司），电子公司），C60掺铯、掺铯、铷，铷，33K呈现零电阻；呈现零电阻；11月，（北京大学），月，（北京大学），C60掺锡，掺锡，Ts为为37K。固态固态C60是一种类似于是一种类似于Ga-As的半导体。在的半导体。在C60中掺中掺有碱金属（有碱金属（K、Rb或或Cs），它将转变成超导体。），它将转变成超导体。使科学家看到了使科学家看到了C60这类分子作为超导体的巨这类分子作为超导体的巨大潜力，有科学家预言，如能制成大潜力，有科学家预言，如能制成C540，它将可能，它将可能成为室温超导体。由于碳很容易被加工成

27、细纤维，成为室温超导体。由于碳很容易被加工成细纤维，所以碳系超导体的加工性能比陶瓷系超导体要好得所以碳系超导体的加工性能比陶瓷系超导体要好得多。多。C60具有稳定的球结构，还可以用作超级耐高温具有稳定的球结构，还可以用作超级耐高温的润滑剂用以微型马达的小型滚珠轴承。将锂原子、的润滑剂用以微型马达的小型滚珠轴承。将锂原子、氟原子置于布基球“笼”内，以免氧化而制出高效氟原子置于布基球“笼”内，以免氧化而制出高效的电化学电池。在“笼”内放入治疗癌症的放射性的电化学电池。在“笼”内放入治疗癌症的放射性元素，引入患者体内能准确对付癌细胞而杀灭之。元素，引入患者体内能准确对付癌细胞而杀灭之。因此因此C60

28、的研究具有良好的发展远景。的研究具有良好的发展远景。材料的尺度材料的尺度纳米材料纳米材料纳米材料及其特性纳米材料及其特性定义定义纳米材料(nano material)又称为超微颗粒材料，由纳米粒子(nano particle)组成。纳米粒子也叫超微颗粒，是尺寸在1nm100nm间的粒子，处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域。纳米科技发展史纳米科技发展史预言物理学家、诺贝尔奖获得者理查德费曼（Feynman）1959年12月29日在美国物理学会年会上发表演讲时就设想：“如果有朝一日人们能把百科全书存储在一个针尖上并能移动原子，那么就将给科学带来什么！”。他还预言，化学将可以根据人们的意愿逐个地准确

29、放置原子。在那次演讲中，他还提到，当2000年人们回顾历史的时候，他们会为直到1960年才有人想到直接用原子、分子来制造机器而感到惊讶。第一个真正认识到纳米粒子的性能并引用纳米概念的是日本科学家。他们在20世纪70年代用蒸发法做了超微粒子，并发现，导电、导热的铜、银导体做成纳米尺度以后，失去原来的性质，表现出既不导电、也不导热。迅速发展1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办,Nanotechnology和Nanobiology两种国际性专业期刊也在同年相继问世。标志着纳米科学技术的正式诞生。纳米科技的研究内容纳米科技的研究内容包括纳米物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物

30、学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学等学科。这些学科为纳米材料的发展提供了科学基础。其中每一门类都是跨学科的边缘科学，不是某一学科的延伸或某一项工艺的革新，而是许多基础理论、专业工程理论与当代尖端高新技术的结晶。主要以物理、化学的微观研究理论为基础，以现代高精密检测仪器和先进的分析技术为手段，是一个内容极广的多学科群。纳米微粒的制备纳米微粒的制备可采用物理、化学或综合的方法来制备纳米微粒，然后加压烧结后即成纳米固体。纳米微粒的特性纳米微粒的特性组成纳米固体的颗粒极小，界面组元所占比重显著增大，具有小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应。小尺寸效应当微粒分割到达一定程度时，其性质将会发生根本性的

31、变化。例如，铜分割成10nm以下时，就会失去金属光泽，变成黑糊糊的东西。如对它加热，在远低于铜的熔点时就会熔化。硬度、导电性等诸多理化性质，已完全不同于原来的铜的性质。当金属或非金属被制备成小于一定尺度的粉末时，其物理性质就发生了根本的变化，可能具有高强度、高韧性、高比热、高导电率、高扩散率及对电磁波具有强吸收性等性质。表面效应纳米微粒尺寸小，表面能高，位于表面的原子或分子所占的比例非常大。并随纳米粒子尺寸的减小而急剧增大。表面原子数的增加导致了性质的急剧变化。这种表面原子数随纳米粒子尺寸减小而急剧增大后引起的性质上的显著变化称为表面效应。纳米级结构尺寸减小，表面原子数迅速增加，比表面积、表面

32、积及表面结合能迅速增大。由于表面原子数的增加、原子配位的不足必然导致纳米结构表面存在许多缺陷。从化学角度来看，表面原子所处的键合状态或键合环境与内部原子有很大的差异，常常处于不饱和状态，导致纳米材料具有极高的表面活性，易与其它原子结合。纳米颗粒表现出来的高催化活性和高反应性，纳米粒子易于团聚等均与此有关。量子尺寸效应大块物质含有几乎无限多的原子，其能带连续，好象一个圆锥体的麦堆，远处观察，边缘线圆滑连续，走近并连续，而是一个个麦粒。对只有有限个原子的纳米颗粒，粒径小到一定程度时，就会出现量子尺寸效应，导致纳米颗粒的光、电、磁、声、热等性质与宏观特性有着显著的差异。例如，温度为 1时，直径小于1

33、4 nm的银纳米颗粒会变成绝缘体。宏观量子隧道效应电子具有波粒两像性，存在穿透势垒的隧道效应。近年来，发现一些宏观物理量，如微粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等也具有隧道效应，称宏观量子隧道效应。宏观量子隧道效应限定了磁带、磁盘进行信息贮存的时间极限。量子尺寸效应、隧道效应确定了微电子器件进一步微型化的极限。应指出，只有当粒子尺寸小到一定程度时，物质的性质才会发生突变，出现特殊性能。这种既具有不同于原来组成的原子、分子，也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料，即为纳米材料。纳米技术的应用纳米技术的应用1.纳米技术在微电子学上的应用纳米技术在微电子学上的应用原理纳米电子学的主要思想是基于纳米

34、粒子的量子效应来设计并制备纳米量子器件。目标将集成电路进一步减小，研制出由单原子或单分子构成、能在室温使用的各种器件。早在1989年，IBM公司的科学家已利用隧道扫描显微镜上的探针，成功地移动了氙原子，并利用它拼成了IBM三个字母。美国威斯康星大学已制造出可容纳单个电子的量子点。在一个针尖上可容纳这样的量子点几十亿个。利用量子点可制成体积小、耗能少的单电子器件，在微电子和光电子领域将获得广泛应用。2.纳米技术在光电领域的应用纳米技术在光电领域的应用原理纳米激光器的微小尺寸可使光子被限制在少数几个状态上，而低音廊效应则使光子受到约束，直到所产生的光波累积起足够多的能量后透过此结构。其结果是激光器

35、达到极高的工作效率，而能量阈则很低。纳米激光器实际上是一根弯曲成极薄面包圈的形状的光子导线，实验发现，纳米激光器的大小和形状能够有效控制它发射出的光子的量子行为，从而影响激光器的工作。应用（1）提高效率：纳米激光器工作时只需约100微安的电流。最近，科学家把光子导线缩小到只有五分之一立方微米体积内。在这一尺度上，此结构的光子状态数少于10个，接近了无能量运行所要求的条件，但是光子的数目还没有减少到这样的极限上。最近，麻省理工学院的研究人员把被激发的钡原子一个一个地送入激光器中，每个原子发射一个有用的光子。（2）速度极快由于只需要极少的能量就可以发射激光，这类装置可以实现瞬时开关。已经有一些激光

36、器能够以快于每秒钟200亿次的速度开关，适合用于光纤通信。由于纳米技术的迅速发展，这种无能量阈纳米激光器的实现将指日可待。评价纳米技术的发展，使微电子和光电子的结合更加紧密，在光电信息传输、存贮、处理、运算和显示等方面，使光电器件的性能大大提高。将纳米技术用于现有雷达信息处理上，可使其能力提高10倍至几百倍，甚至可以将超高分辨率纳米孔径雷达放到卫星上进行高精度的对地侦察。但是要获取高分辨率图像，就必需先进的数字信息处理技术。科学家发现，将光调制器和光探测器结合在一起的量子阱自电光效应器件，将为实现光学高速数学运算提供可能。3.纳米技术在化工领域的应用纳米技术在化工领域的应用光催化剂纳米粒子作为

37、光催化剂有许多优点。（1）粒径小，比表面大，光催化效率高。（2）纳米粒子生成的电子、空穴在到达表面之前，大部分不会重新结合。电子、空穴能够到达表面的数量多，故化学反应活性高。（3）纳米粒子分散在介质中往往具有透明性，容易运用光学手段和方法来观察界面间的电荷转移、质子转移、半导体能级结构与表面态密度的影响。例1，工业上利用纳米二氧化钛-三氧化二铁作光催化剂，用于废水处理（含SO32-或 Cr2O72-系统），已取得了很好的效果例2，用沉淀溶出法制备出的粒径约30nm60nm的白色球状钛酸锌粉体，比表面大、化学活性高，用它作吸附脱硫剂，较固相烧结法制备的钛酸锌粉体效果明显提高。纳米静电屏蔽材料是纳

38、米技术的另一重要应用。优点（1）静电屏蔽材料一般由树脂掺加碳黑喷涂而成，用有半导体特性的纳米氧化物粒子如Fe2O3、TiO2、ZnO做成涂料，由于具有较高的导电特性，能起到静电屏蔽作用。（2）氧化物纳米微粒的颜色各种各样，可通过复合控制静电屏蔽涂料的颜色，克服了碳黑静电屏蔽涂料只有单一颜色的单调性。遮蔽紫外线（1）将纳米TiO2粉体加到化妆品中，可有效地遮蔽紫外线。（2）用添加0.1%0.5%的纳米二氧化钛制成的透明塑料包装食品，可防止紫外线对食品的破坏，还可使食品保持新鲜。（3）金属纳米粒子掺杂到化纤制或纸张中，可大大降低静电作用纳米反应器利用纳米碳管独特的孔状结构，大的比表面，较高的机械强

39、度做成纳米反应器，该反应器能够使化学反应局限于一个很小的范围内进行。在纳米反应器中，反应物在分子水平上有一定的取向和有序排列，同时限制了反应物分子和中间体的运动。4.纳米技术在医学上的应用纳米技术在医学上的应用RNA线度在15nm20nm之间，生物体内的多种病毒也是纳米粒子。10nm以下的粒子比血液中的红血球还要小，可在血管中自由流动。将超微粒子注入到血液中，输送到人体的各个部位，作为监测和诊断疾病的手段。已成功利用纳米SiO2微粒进行了细胞分离，用金的纳米粒子进行定位病变治疗，以减少副作用。利用纳米颗粒作为载体的病毒诱导物已经取得了突破性进展，已用于临床动物实验。研究纳米技术在生命医学上的应

40、用，可以在纳米尺度上了解生物大分子的精细结构及其与功能的关系，获取生命信息。科学家们设想利用纳米技术制造出分子机器人，在血液中循环，对身体各部位进行检测、诊断，并实施特殊治疗，疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物，甚至可以用其吞噬病毒，杀死癌细胞。这样，在不久的将来，被视为当今疑难病症的爱滋病、高血压、癌症等都可能被攻克，从而将使医学研究发生一次革命。5.纳米技术在其它领域的应用纳米技术在其它领域的应用纳米电脑可人机对话并具有自我复制能力的纳米装置。军事方面昆虫作平台，分子机器人植入昆虫的神经系统中控制昆虫飞向敌方收集情报，使目标丧失功能。分子传感器和探测器仿生纳米材料制作人的牙齿、关节。药物储存在碳纳米管中，通过一定的机制激发药剂的释放，可控药剂有希望变为现实。利用碳纳米管来制作储氢材料，用作燃料汽车的燃料“储备箱”。利用纳米颗粒膜的巨磁阻效应研制高灵敏度的磁传感器；利用具有强红外吸收能力的纳米复合系统制备红外隐身材料，都是很具有应用前景的技术开发领域。评价纳米尺寸左右和纳米以下的结构将是下一阶段科技发展的特点，会是一次技术革命，将是21世纪的又一次产业革命。