量子尺寸效应

111量子尺寸效应所谓的量子尺寸效应是指粒子尺寸下降到某一值时金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散的现象纳米半导体粒子存在不连续的最高被占据的分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级能隙变宽由此导致纳米微粒的光电磁热催化和超导性等特性与宏观性存在着显著的差异如金属纳米材料的电阻随着尺寸下降而增大电阻温度系数下降甚至变成负值相反原是绝缘体的氧化物达到纳米级时电阻反而下降1025nm的铁磁金属微粒矫顽力比同种宏观材料大1000倍而当颗粒尺寸小于10nm时矫顽力变为零表现为超顺磁性112小尺寸效应当超细微粒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晶体周期性的边界条件将被破坏非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小导致声光电滋热力学等特性呈现新的小尺寸效应例如光吸收显著增加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的转变声子谱发生改变等这种现象称为小尺寸效应113表面与界面效应纳米材料的另一个重要特性是表面与界面效应由于表面原子与内部原子所处的环境不同当粒子直径比原子直径大时如大于001时表面原子可以忽略但当粒子直径逐渐接近原子直径时表面原子的数目及作用就不能忽略而且这时粒子的比表面积表面能和表面结合能都发生很大变化人们把由此引起的种种特殊效应统称表面效应89随着粒径的减小比表面迅速增大当粒径为5nm时表面原子数比例达到约50以上当粒径为2nm时表面原子数达到80原子几乎全部集中到纳米粒子的表面庞大的表面原子的存在导致键态严重失配表面出现非化学平衡非整数配位的化学键产生许多活性中心从而导致纳米微粒的化学活性大大增强主要表现在1熔点降低就熔点来说纳米颗粒中由于每一粒子组成原子少表面原子处于不安定状态使其表面晶格震动的振幅较大所以具有较高的表面能量造成超微粒子特有的热性质也就是造成熔点下降同时纳米粉末将比传统粉末容易在较低温度烧结而成为良好的烧结促进材料如金的常规熔点是1064当颗粒尺寸减小到10nm时降低了270当金纳米粒子尺寸为2nm时熔点仅为327银的常规熔点为961而超微银颗粒的熔点可低于100等2比热增大粒径