納米材料的分類及其物理特性

覃子權(quán)

(貴州大學(xué) 貴州 貴陽 550025)

引言

納米材料主要是由原子尺寸的微小單元和分子尺寸所構(gòu)成，所以這種材料具有其他化學(xué)元素所形成的化學(xué)特征或是物理特征材料所具有的特征，比如，熱學(xué)特性、磁學(xué)特性、力學(xué)特性等，現(xiàn)階段納米材料被有效地應(yīng)用到各個科技領(lǐng)域中，并取得良好的成效。

1 納米材料的分析

1980年，首次出現(xiàn)“納米”一詞，在早期納米材料的發(fā)展過程中，主要是顆粒構(gòu)成的固體存在的，這種材料是符合納米尺度范圍的，一般來說我們將納米材料維度分為三類，即0維、1維、2維，立足于空間三維尺度來分析，0維納米材料是完成符合納米尺度的，1維納米材料是滿足二維納米尺度特征的，最后一類納米材料有著1維納米尺度特點(diǎn)，并且有著超薄膜?；诖?，有科學(xué)家發(fā)明了 0.35nm 超級薄膜。這種材料的薄膜厚度小，我們需要將這種材料重疊20萬次還達(dá)到一根頭發(fā)的厚度。由于這種材料的特殊性因此其物理特性是具有差異的，通常情況下我們將其分為兩類，即納米鐵電體、納米半導(dǎo)體[1]?？v觀當(dāng)前絕大多數(shù)納米財(cái)力，都是采用人工制備的方式生產(chǎn)的，因此我們可以將其稱為人工材料。事實(shí)上在大自然中一直都存在納米固體，但是在這方面人類的研究不夠深入， 比如，我們所熟知的隕石就是這種材料。另外動物牙齒也是由納米微粒所構(gòu)成的。倘若從化學(xué)分成分來分類，我們可以將其分為納米復(fù)合材料、納米金屬、納米陶瓷等。

2 分析納米粒子的物理特性

2.1 界面與表面效應(yīng)

這種物理特征主要指納米晶體粒表面的總原子數(shù)量與原子數(shù)，伴隨著納米晶體粒徑變小，所出現(xiàn)性質(zhì)變化。我們假設(shè)晶體粒直徑為10納米時，這個時候，表面原子占40%，微粒大約有4000個原子左右，如果晶體粒直徑為1納米，表面原子占99%左右，此時微粒大概有30個原子。探究其原因是因?yàn)榧{米晶體粒直徑減少，相應(yīng)地，表面原子數(shù)量在不斷增加。

2.2 小尺寸效應(yīng)

這種物理特性具體就是指納米微粒尺寸等于或是小于超導(dǎo)態(tài)的相干長度、超導(dǎo)態(tài)投射深度，光波波長時，納米微粒尺寸的周期性邊界被損壞，如此一來，導(dǎo)致納米微粒熱力學(xué)、磁學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)、電學(xué)等出現(xiàn)一些比較奇特的現(xiàn)象，比如，納米材料與高分子材料的混合所制作而成的刀具，是非常堅(jiān)硬的，其程度可以與金剛石制品相比較，對此，我們在研究中，可以充分利用納米材料的這些物理特性，將其轉(zhuǎn)變成電能，另外，還可以將納米材料有效地運(yùn)用到紅外隱身技術(shù)或是紅外敏感元件中，發(fā)揮應(yīng)有的功效。

2.3 宏觀量子隧道效應(yīng)

由于具備貫穿勢壘的能力我們又將微觀粒子稱之為隧道效應(yīng)。最近幾年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一些宏觀量。比如，量子相干器件當(dāng)中所具有磁通量、微顆粒磁化強(qiáng)度等。我們將其中所發(fā)現(xiàn)的隧道效應(yīng)，稱之為宏觀量子隧道效應(yīng)，科研人員對這種物理特征的研究具有至關(guān)重要的作用，這主要是因?yàn)楹暧^量子隧道效應(yīng)限定了磁盤和彩帶存儲信息的極限。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，未來微電子器件基礎(chǔ)一定會是隧道效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)，同時其還進(jìn)一步微化微電子器件的極限。在具體的細(xì)微化過程中，一定離不開對量子效應(yīng)的思考[2]。

2.4 熱學(xué)性質(zhì)

一般來說，納米材料的熱膨脹和比熱系統(tǒng)就大于非晶體材料或是同類晶材料的值，探究其元原因，是因?yàn)樵用芏容^低、界面原子排列不整齊以及界面原子耦合作用變?nèi)跛斐傻?。這種物理特征在納米復(fù)合材料和儲存材料方面具有較為良好的應(yīng)用前景。

2.5 電學(xué)性質(zhì)

這種物理特征具體就是指晶界面原子體積分?jǐn)?shù)變化，這樣一來，就讓納米材料就會因?yàn)轶w積分?jǐn)?shù)的變化，導(dǎo)致其電阻高于同類粗晶材料，變化顯著的時候，還會出現(xiàn)絕緣體轉(zhuǎn)變（SIMIT），如果我們充分利用這種物理特性的庫侖堵塞效應(yīng)和隧道量子效應(yīng)，有效將納米材料制作成帶電子器件，能最大化地發(fā)揮超微型低能耗、超容量、超高速的特點(diǎn)，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展相信在今后納米材料一定會取代常規(guī)半導(dǎo)體器件[3]。

2.6 磁學(xué)性質(zhì)

這種物質(zhì)特性，較大塊材料而言，小尺寸的超微顆粒磁性具有顯著的優(yōu)勢，這種材料呈現(xiàn)出超順磁性，相關(guān)技術(shù)人員充分利用磁性超微顆粒自身所具有的高矯頑力的特性，當(dāng)前已經(jīng)制作成磁記錄磁粉，這種磁粉具有高貯存密度，當(dāng)前已經(jīng)廣泛的運(yùn)用到磁卡、磁帶等方面，人們利用超順磁性超微顆粒已經(jīng)制作成了磁性液體[4]。

2.7 奇特的物理性能

這種性能主要分為兩個方面，即奇特的光學(xué)特性和擴(kuò)散及燒結(jié)性能，光學(xué)特性具有三個特性，第一，藍(lán)移現(xiàn)象，也就是說納米微粒吸收帶可移動到短波方向。第二，寬頻帶強(qiáng)吸收，眾所周知納米粒子在光的吸收能力較強(qiáng)，在強(qiáng)光作用下粒子就會變黑。第三，由于這種材料的特殊性，材料具有一些常規(guī)材料不曾有的發(fā)光現(xiàn)象。擴(kuò)散及燒結(jié)性能物理特性方面，較大界面是納米結(jié)構(gòu)材料最顯著的特征，復(fù)雜的界面材料有效地為原子提供的短程擴(kuò)散途徑，納米機(jī)構(gòu)與單晶材料進(jìn)行對比，有著非常高的擴(kuò)散率[5]。

3 結(jié)語

總之，隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，相信在今后納米材料一定會實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，提高我們的生活和工作效率，但是在這個過程中我們應(yīng)認(rèn)識到科學(xué)技術(shù)是一把雙刃劍，為我們帶來利的同時，也帶來弊端，因此，我們在使用過程中一定要規(guī)避這種現(xiàn)象。