《陶瓷材料》课程教学资源（PPT课件）第七章 纳米陶瓷 7.2 纳米材料的特性

7.2纳米材料的特性 第七章纳米陶瓷 纳米微粒和由它们构成的纳米固体 材料具有四个基本效应。 ●小尺寸效应 ●表面与界面效应 如科涂料 ●量子尺寸效应 ●宏观量子隧道效应

纳米微粒和由它们构成的纳米固体 材料具有四个基本效应。 ⚫ 小尺寸效应 ⚫ 表面与界面效应 ⚫ 量子尺寸效应 ⚫ 宏观量子隧道效应 7.2 纳米材料的特性 第七章 纳米陶瓷

7.2纳米材料的特性 第七章纳米陶瓷 ●小尺寸效应。当纳米微粒的尺寸与光波的 波长、传导电子的德布罗意波长以及超导 态的相干长度或穿透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，声、光、电、磁、热力学等特性 均会呈现新的小尺寸效应

⚫ 小尺寸效应。当纳米微粒的尺寸与光波的 波长、传导电子的德布罗意波长以及超导 态的相干长度或穿透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，声、光、电、磁、热力学等特性 均会呈现新的小尺寸效应。 7.2 纳米材料的特性 第七章 纳米陶瓷

7.2纳米材料的特性 第七章纳米陶瓷 ●表面与界面效应。纳米微粒由于尺寸小，表面 积大，表面能高，位于表面的原子占相当大比 例。这些表面原子处于严重的缺位状态，因此 其活性极高，极不稳定，很容易与其他原子结 合，产生一些新的效应

⚫ 表面与界面效应。纳米微粒由于尺寸小，表面 积大，表面能高，位于表面的原子占相当大比 例。这些表面原子处于严重的缺位状态，因此 其活性极高，极不稳定，很容易与其他原子结 合，产生一些新的效应。 7.2 纳米材料的特性 第七章 纳米陶瓷

7.2纳米材料的特性 第七章纳米陶瓷 ·量子尺寸效应。当粒子尺寸下降到最低值 时，费米能级附近的电子能级由准连续变 为离散能级的现象。低温下电子能级是离 散的，而且这种离散对材料的热力学性质 有很大影响

⚫ 量子尺寸效应。当粒子尺寸下降到最低值 时，费米能级附近的电子能级由准连续变 为离散能级的现象。低温下电子能级是离 散的，而且这种离散对材料的热力学性质 有很大影响。 7.2 纳米材料的特性 第七章 纳米陶瓷

7.2纳米材料的特性 第七章纳米陶瓷 例如，超微粒子的比热、磁化率明显区别于大 块材料。库波(Kubo)提出了相邻电子能级间 距（δ）和颗粒直径的如下关系式： 6= 3N (7-1)

例如，超微粒子的比热、磁化率明显区别于大 块材料。库波（Kubo）提出了相邻电子能级间 距（δ）和颗粒直径的如下关系式： 1 3 4 − = V N EF  （7-1） 7.2 纳米材料的特性 第七章 纳米陶瓷

7.2纳米材料的特性 第七章纳米陶瓷 式中，N:一个超微粒子的总导电电子数；EF: 费米能级；V:超微粒子体积。对于宏观物体包 含无限个原子，N→∞，由式(7-1)知，δ0， 能级连续。而对纳米微粒，所含的原子数有限， N很小，δ就有一定值，能级分立

式中，N：一个超微粒子的总导电电子数；EF： 费米能级；V：超微粒子体积。对于宏观物体包 含无限个原子，N→∞，由式（7-1）知，δ→0， 能级连续。而对纳米微粒，所含的原子数有限， N很小，δ就有一定值，能级分立。 7.2 纳米材料的特性 第七章 纳米陶瓷

7.2纳米材料的特性 第七章纳米陶瓷 当能级间距δ大于热能、磁能、静磁能、静电 能、光子能量或超导态的凝擬聚能时，必须考虑量 子效应，这就导致纳米微粒的磁、光、声、热、 电以及超导电性与宏观特性有着显著的不同，称 为量子尺寸效应

当能级间距δ大于热能、磁能、静磁能、静电 能、光子能量或超导态的凝聚能时，必须考虑量 子效应，这就导致纳米微粒的磁、光、声、热、 电以及超导电性与宏观特性有着显著的不同，称 为量子尺寸效应。 7.2 纳米材料的特性 第七章 纳米陶瓷

7.2纳米材料的特性 第七章纳米陶瓷 ●宏观量子隧道效应。微观粒子具有贯穿势 垒的能力称为隧道效应。近年来，人们发 现一些宏观量，例如微颗粒的磁化强度、 量子相干器件中的磁通量等也具有隧道效 应，称为宏观量子隧道效应

⚫ 宏观量子隧道效应。微观粒子具有贯穿势 垒的能力称为隧道效应。近年来，人们发 现一些宏观量，例如微颗粒的磁化强度、 量子相干器件中的磁通量等也具有隧道效 应，称为宏观量子隧道效应。 7.2 纳米材料的特性 第七章 纳米陶瓷

7.2纳米材料的特性 第七章纳米陶瓷 ●宏观量子隧道效应研究对基础研究及实用 都有着重要意义。 ·量子尺寸效应、隧道效应将会是未来微电 子器件的基础，它确立了现有微电子器件 进一步微型化的极限

7.2 纳米材料的特性 第七章 纳米陶瓷 ⚫ 宏观量子隧道效应研究对基础研究及实用 都有着重要意义。 ⚫ 量子尺寸效应、隧道效应将会是未来微电 子器件的基础，它确立了现有微电子器件 进一步微型化的极限

7.2纳米材料的特性 第七章纳米陶瓷 当微电子器件进一步细微化时，必须要考虑 上述的量子效应。 ●上述的小尺寸效应、表面与界面效应、量子 尺寸效应以及量子隧道效应，都是纳米微粒 与纳米固体的基本特性，它使纳米微粒和纳 米固体呈现许多奇异的物理、化学性质，是 出现一些“反常现象”的原因

7.2 纳米材料的特性 第七章 纳米陶瓷 ⚫ 当微电子器件进一步细微化时，必须要考虑 上述的量子效应。 ⚫ 上述的小尺寸效应、表面与界面效应、量子 尺寸效应以及量子隧道效应，都是纳米微粒 与纳米固体的基本特性，它使纳米微粒和纳 米固体呈现许多奇异的物理、化学性质，是 出现一些“反常现象”的原因