第1章　绪论

1.1　纳米材料

纳米科学技术是20世纪80年代中后期逐渐发展起来的，融介观体系物理、量子力学等现代科学为一体并与超微细加工、计算机、扫描隧道显微镜等先进工程技术相结合的多方位、多学科的新科技。它是在1～100nm尺度上研究自然界现象中原子、分子行为与规律，以期在深化对客观世界认识的基础上，实现由人类按需要制造出性能独特的产品。纳米科技的出现，无疑是现代科学的重大突破，它在材料科学、凝聚态物理学、机械制造、信息科学、电子技术、生物遗传、高分子化学以及国防和空间技术等众多领域都有着广阔的应用前景，对它的研究受到了世界范围的高度重视。IBM公司的首席科学家阿姆斯特朗（Armstrong）在1991年曾预言：“我相信纳米科技将在信息时代的下一阶段占中心地位，并发挥革命的作用，正如20世纪70年代以来微米科技已经起的作用那样。”这些预言精辟地指出了纳米体系的地位和作用，概括了21世纪材料科技发展的一个新动向[1]。20世纪90年代中期以后，纳米技术的浪潮席卷全球，新的纳米科学研究成果不断涌现。随着纳米材料体系和各种超结构体系研究的开展和深入，纳米技术将会带动世界科技和经济的又一次飞跃。

纳米材料是纳米科技领域最具内涵、富有活力的学科分支，纳米材料科学是多种学科交叉汇合而出现的新学科生长点。纳米材料的发展历史大致可分为三个阶段：第一阶段（1990年以前）主要是在实验室探索用各种手段制备各种材料的纳米颗粒粉体、合成块体（包括薄膜），研究评估表征的方法，探索纳米材料不同于常规材料的性能；第二阶段（1990～1994年）研究热点是如何利用纳米材料已挖掘出来的奇特物理、化学和力学性能，设计纳米复合材料；第三阶段（1994年至今）重点在于纳米组装体系。纳米组装体系（nanostructured assembling system）、人工组装合成的纳米结构的材料体系或者称为纳米尺度的图案材料（patterning materials on the nanometer scale）越来越受到人们的关注。它的基本内涵是以纳米颗粒以及纳米丝、管为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列具有纳米结构的体系，其中包括纳米阵列体系、介孔组装体系、薄膜镶嵌体系。纳米结构的组装体系很有可能成为纳米材料科学研究的前沿主导方向[1]。

纳米材料是指经过纳米技术处理，由很多原子或分子构成（所含原子或分子数在102～105），在三维空间中至少有一维尺寸处于纳米量级或由它们作为基本单元构成的材料。纳米材料的结构单元按维数分为：空间三维尺度均在纳米量级的纳米微粒（零维）；直径为纳米数量级的棒、纤维、管、线、带（一维）；厚度为纳米量级的片或薄膜（二维）。因为这些单元往往具有量子性质，所以基本单元又分别被称为量子点、量子线和量子阱。

小粒子尺寸进入纳米范围时，会表现出许多块体材料不具有的特殊物理效应，主要包括小尺寸效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应、表面效应和介电限域效应等。

1.1.1　小尺寸效应

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；非晶态纳米粒子微粒的颗粒表面层附近原子密度减小，导致声、光、电、磁、热、力学性能等特性呈现新的小尺寸效应。影响小尺寸效应的因素很多，某些外界物种的添加既可使纳米相稳定，也可使晶粒尺寸减小。在许多体系中，尺寸效应不仅与金属原子簇尺寸大小有关，而且也与纳米尺度方向原子簇构型有关。

1.1.2　量子尺寸效应

所谓量子尺寸效应是指当纳米材料的尺寸减小到一定程度时，其费米能级附近的电子能级由准连续转变为分立的现象，同时纳米材料的能隙变宽，以及由此导致的纳米材料光、磁、热、电、催化等特性与体材料显著不同的现象。对半导体材料而言，尺寸小于其本身的激子波尔半径，就会表现明显的量子效应。金纳米微粒熔点随晶粒减小而大幅度降低是小尺寸效应的一个典型例子。

1.1.3　宏观量子隧道效应

量子物理中把粒子能够穿过比其动能更高势垒的物理现象称为隧道效应。这种量子隧道效应是指微观体系借助于一个经典被禁阻路径从一个状态改变到另一个状态的通道。近年来，人们又发现一些宏观量如纳米颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦具有隧道效应，因此称之为宏观量子隧道效应。宏观量子隧道效应的研究对基础研究及应用都具有重要意义。它限定了磁带、磁盘进行信息存储的时间极限，确定了现存微电子器件进一步微型化的极限，当微电子器件进一步细微化时，必须要考虑上述效应。

1.1.4　表面界面效应

固体表面原子与内部原子所处环境不同，当粒子半径远远大于原子半径时，表面原子可以忽略，但随着粒子尺寸的减小，表面原子数增多，表面和界面在材料所占的比重就大大提高，此时表面原子数目及其作用就不能忽略，人们把由此而引起的种种特殊效应统称为表面效应。由于表面原子的晶体场环境和结合能与内部原子不同，表面原子周围有许多悬空键，具有不饱和性，易与其它原子相结合而使其稳定化，这就是纳米微粒活化，也是其不稳定的根本原因。正是由于纳米微粒存在界面与表面效应，因而产生了粒子表面过剩电荷、电荷载流子的相互作用以及粒度控制及表面改性等一系列的新课题。

1.1.5　介电限域效应

介电限域是纳米微粒分散在异电介质中由于界面引起的体系介电增强的现象，这种介电增强通常称为介电限域，主要来源于微粒表面和内部局域场的增强。当介质的折射率与微粒的折射率相差很大时，产生了折射率边界，这就导致微粒表面和内部的场强比入射场强明显增加，这种局域场的增强称为介电限域。一般来说，过渡族金属氧化物和半导体微粒都可能产生介电限域效应。纳米微粒的介电限域对光吸收、光化学、光学非线性等都有很重要的影响。