1、浅 谈 纳 米 科 技20 世纪是物理学推动高新技术飞速发展的世纪，人类已从控制与利用大量微观粒子系统的时代进入了控制与利用单个微观粒子的时代。人们对客观事物的认识从最开始直接用肉眼可见的事物开始, 然后不断深入, 逐渐发展为两个层次: 宏观领域和微观领域。这里宏观领域是指以人的肉眼可见的物体为下限, 上至无限大的宇宙天体; 微观领域是以分子原子为最大起点, 下至无限小的区域。然而, 在宏观领域和微观领域之间, 存在着一块近年来才引起人们极大兴趣的所谓介观领域, 这个领域包括了从微米、亚微米、纳米到团簇尺寸(从几个到几百个原子以上的尺寸) 的范围。一 纳米科技的内涵和基本概念纳米科学技术（Na
2、no-ST）是在20世纪80年代末期刚刚诞生并正在迅速崛起的新科技，它的基本涵义是在纳米尺度（10 -9-10-7m）范围内认识和改造自然，通过直接操作和安排原子、分子创制新的物质。早在1959年，物理学家费曼就曾说过:“如果有朝一日人们能把百科全书存储在一个针尖大小的空间内并能移动原子，那么这将给科学带来什么！”这正是对纳米科技的预言，也就是人们常说的小尺寸大世界。纳米(nanometer) 是一种非常微小的计量单位,符号是nm。1 纳米即十亿分之一米, 其距离约为13个氢原子并列, 相当于人发直径的十万分之一。世界上早就存在纳米颗粒, 但直到80 年代科学家才首次发现, 由几个到几千个原子
3、组成的纳米颗粒既不同于单个的原子和分子, 也不同于宏观的大块物体, 而是表现出非常奇特的性质。纳米科技则是研究由尺寸在0.1-100nm之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术。在纳米体系中，电子波函数的相干长度与体系的特征尺寸相当，这时电子不能被看成处在外场中运动的经典粒子，电子的波动性在输送过程中得到充分的展现；纳米体系在维度上的限制，也使得固体中的电子态、元激发和各种相互作用过程表现出于三维体系十分不同的性质，如量子化效应，非定域量子相干，量子涨落与混沌，多体关联效应和非线性效应等等。对这些新奇的物理特性的研究，使得人们必须重新认识和定义现有物理理
4、论和规律，这必将导致新概念的引入和新规律的建立，如纳米尺度上的能带、费米能级及逸出功将意味1着什么？另外，在纳米化学中，对表面的化学过程，如原子簇化合物的研究对吸附质或载体系统的电子性质和对基底表面结构的影响；在纳米生物学中，除对细胞、膜、蛋白质和DNA的微观研究外，还要解决人工分子剪裁以及进行分子基因和物种再构；在纳米电子学中，机械性质如弹性模量、弹性系数、摩擦和粗糙概念亦有质的变化。作为纳米科技中的一个重要领域的纳米加工学，也将以崭新的方式进行原子的操纵和纳米尺度的加工以及进行纳米器件的加工和组装，并进一步研究器件的特性及运行机理。纳米科技主要包括：(1)纳米体系物理学；（2）纳米化学；（
5、3）纳米材料学；（4）纳米生物学；（5）纳米电子学；（6）纳米加工学；（7）纳米力学。这7个部分是相对独立的，但隧道显微镜在纳米科技中占有重要的地位，它贯穿到7个分支领域中，以扫描隧道显微镜为分析和加工手段所做工作占有一半以上。应当指出的是：由于电子学在人类的发展和生活中起了决定性的作用。因此，在纳米科技的各个分支学科的研究中，应当重视纳米电子学的研究，特别是利用STM的相关技术进行超高密度信息存储的研究。二 纳米粒子的介观效应纳米材料是纳米科技领域最富有活力、研究内涵十分丰富的学科分支。纳米材料由纳米粒子组成。纳米粒子的尺寸一般在0.1-100nm之间，处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，这
6、是一种典型的介观系统，因而具有许多特殊的效应。而材料特性的改变是由于所组成微粒的尺寸、相组成和界面这三方面的相互作用来决定的，由纳米微粒构成的纳米固体，由于它具有大量原始颗粒，必然有巨大的颗粒间界能，而且颗粒内部的微结构（如位错）由于体积小而消除。这些因素必然会带来极明显的作用。下面就纳米粒子的主要效应作一介绍。1 表面效应粒子直径减少到纳米级，不仅引起表面原子数的迅速增加，而且纳米粒子的比表面积、表面能都会迅速增加。这主要是因为处于表面的原子数较多，表面原子的晶场环境和结合能与内部原子不同所引起的。众所周知，固体材料的表面原子与内部原子所处的环境是不同的。当纳米粒子的粒径远大于原子直径时，表
7、面原子可忽略；但当粒径逐渐接近于原子直径时，表面原子的数目及其作用就不能忽略，而且这时晶粒的表面积、表面能和表面结合能等都发生了很大的变化，人们把由此而引起的种种特异效应统称2为表面效应。随着纳米材料粒径的减小，表面原子数迅速增加”例如，当粒径为10nm表面原子数为完整晶粒原子总数的20；而粒径为1nm时，其表面原子百分数增大到99，此时组成该纳米晶粒的所有约30个原子几乎全部集中在表面。由于表面原子周围缺少相邻的原子，有许多悬空键，具有不饱和性，易与其他原子相结合而稳定下来，故表现出很高的化学活性。随着粒径的减小，纳米材料的表面积、表面能及表面结合能都迅速增大。2 体积效应当物质体积减小时，
8、将会出现两种情况：一种是物质本身的性质不发生变化，而只有那些与体积密切相关的性质发生变化，如半导体电子自由程变小，磁体的磁区变小等；另种是物质本身的性质也发生了变化，因为纳米粒子是由有限个原子或分子组成，改变了原来由无数个原于或分子织成的集体属性。当纳米材料的尺寸与传导电子的德布罗意波长相当或更小时，周期性的边界条件将被破坏，磁性、内压、光吸收、热阻、化学活性、催化性及熔点等与普通晶粒相比都有很大变化，这就是纳米材料的体积效应(也称小尺寸效应)。这种特异效应为纳米材料的应用开拓广阔的新领域，例如，随着纳米材料粒径的变小，其熔点不断降低，烧结温度也显著下降，从而为粉末冶金工业提供了新工艺；利用等
9、离子共振频移随晶粒尺寸变化的性质，可通过改变晶粒尺寸来控制吸收波的位移从而制造出具有定频宽的微波吸收纳米材料，用于电磁波屏蔽、隐形飞机等。3 量子效应纳米粒子尺寸下降到一定值时，费米能级附近的电子能级由连续能级变为分立能级的现象称为量子尺寸效应。这一效应可使纳米粒子具有高的光学非线性、特异催化性和光催化性质等。Kuto曾提出公式 （其中 为能级42fEN间距， 为费米能级，N为总原子数） 。宏观物质包含无限个原子（即 ） ，fE 则能级间距 ；而纳米材料由于所含有原子数有限，即N 值较小，这就导致0有一定的值，即能级间距发生分裂，能级的平均间距与纳米晶粒中自由电子的总数成反比。量子尺寸效应产生
10、最直接的影响就是纳米材料吸收光谱的边界蓝移。这是由于在半导体纳米晶粒中，光照产生的电子和空穴不再自由，即存在库仑作用，3此电子空穴对类似于宏观晶体材料中的激子。由于空间的强烈束缚导致激子吸收峰蓝移，边带以及导带中更高激发态均相应蓝移，并且其电子空穴对的有效质量越小，电子和空穴受到的影响越明显，吸收阀值就越向更高光子能量偏移，量子尺寸效应也越显著。纳米材料中处于分立的量子化能级中的电子的波动件，将直接导致纳米材料的一系列特殊性能，如高度的光学非线性，特异的化学催化和光催化性能等。4 宏观量子隧道效应微观粒子具备贯穿势垒能力的效应称为隧道效应。近年来，人们发现一此宏观量，如微粒的磁化强度、量子相干
11、器件中的磁通量等也具有隧道效应，它们可以穿越宏观体系的势垒而产生变化，故称之为宏观的量子隧道效应。这一效应与量子尺寸效应一起，确定了微电子器件进一步微型化的极限，也限定了采用磁带磁盘进行信息存储的最短时间。用这一概念可以定性解释纳米Ni晶粒在低温下继续保持超顺磁性现象。5 库仑堵塞与量子隧穿库仑堵塞效应是20世纪80年代介观领域所发现的极其重要的物理现象之一。当体系的尺度进入到纳米级（一般金属粒子为几个纳米，半导体粒子为几十纳米），体系是电荷“量子化”的，即充电和放电过程是不连续的，充入一个电子所需的能量Ec为 ，e为一个电子的电荷，C为小体系的电容，体系越小，2C越小，能量Ec 越大。我们把
12、这个能量称为库仑堵塞能。也就说，库仑堵塞能是前一个电子对后一个电子的库仑排斥能，这就导致了对一个小体系的充放电过程，电子不能集体传输，而是一个一个单电子的传输。通常把小体系这种单电子输运行为称库仑堵塞效应。如果两个量子点通过一个“结”连接起来，一个量子点上的单个电子穿过能垒到另一个量子点上的行为称作量子隧穿。利用库仑堵塞和量子隧穿效应可以设计下一代的纳米结构器件，如单电子晶体管和量子开光等。6 介电限域效应介电限域是纳米微粒分散在异质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。当介质的折射率比微粒的折射率相差很大时，产生了折射率边
13、界，这就导致微粒表面和内部的场强比入射场强明显增强，这种局域场的增强称为介电限4域。一般说来，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、光学非线性等会有重要的影响。三 纳米材料的优异特性纳米材料由于其结构的特殊性，决定了纳米材料出现许多不同于传统材料的独特性能。1 光学性质当金属材料的晶粒尺寸减小到纳米量级时，其颜色大都变成黑色，且粒径越小，颜色越深，表明纳米粒子的吸光能力很强。纳米材料的吸光过程还受其能级分离的量子尺寸效应和晶粒及其表面上电荷分布的影响，由于晶粒中的传导电子能级往往凝聚成很窄的能带，出刚造成窄的吸收带。例如，半导体Si和Ge都属于
14、间接带隙半导体材料，通常情况下难以发光。但当它们的粒径分别减小到5nm和4nm以下时，由于能带结构的变化，就会表现出明显的可见光发射现象，且粒径越小，发光强度越强，发光光谱逐渐蓝移。纳米材料光学性能研究的另一个方面为非线性光学效应：最典型的如CdS纳米材料，由于能带结构的变化，导致载流子的迁移、跃迁和复合过程不同于其粗晶材料，因而呈现出不同的作线性光学效应。纳米材料的拉曼(Rman)光谱研究也引起人们的广泛关注。2 电磁性质金属材料中的原子间距会随粒径的减小而变小。因此，当金属晶粒处于纳米范畴时，其密度随之增加。这样，金属中自由电子的平均自由样将会减小，导致电导率的降低。由于电导率按 正比于
15、(d 为粒径)规律急剧下降，因此3d原来的金属良导体实际上已完全转变为绝缘体，这种现象称之尺寸诱导的金属绝缘体转变。纳米材料与粗晶材料在磁结构上也有很大的差异，通常磁性材料的磁结构是由许多磁畴构成的，畴间由畴壁分隔开，通过畴壁运动实现磁化。随着纳米晶粒尺寸的减小，磁性材料的磁有序状态也将发生根本的改变，粗晶状态下为铁磁性的材料，当粒径小于某一临界值时可以转变为超顺磁状态，如 、Fe和 粒径分别在 5nm、16nm 和 20nm 时转变为顺磁体。纳米材料34FeO23e的这些磁学特性是其成为永久性磁体材料、磁流体和磁记录材料的基本依据。53 化学和催化性能纳米材料由于其粒径的减小，表面原子数所占
16、比例很大，吸附力强，因而具有较高的化学反应活性。例如，纳米 TiN 的平均粒径为 45nm 时，在空气中加热便燃烧成为白色的纳米 TiO2。暴露在大气中的无机纳米材料会吸附气体形成吸附层，因此可以利用纳米材料的气体吸附性制成气敏元件，以便对不同气体进行检测。4 热性质当组成相的尺寸足够减少的时候，由于在限制的原子系统中的各种弹性和热力学参数的变化、平衡相的关系将被改变。例如，被小尺寸限制的金属原子簇熔点的温度被大大降低到同种团体材料的熔点之下。DTA（差热分析）实验表明，平均粒径为 40nm 的纳米铜粒子的熔点由1053降到 750，降低了 300左右。这是由于吉布斯汤姻孙效应而引起的，该效应
17、在所限定的系统中引起较高有效的压强作用。四 结语纳米材料由于其特有的优异性能正在全球范围内掀起又一场新的科技革命，目前，纳米科技充满着机遇与挑战，纳米科技一旦成熟，将从根本上改变人类现有的生产方式。纳米水平的直接生产，不仅可以节省能源与原材料,解决环境问题，而且可能取代现有许多大规模工业生产模式。由于基础与应用结合紧密，使得未来纳米科技工业的建立与传播依赖于基础研究，这将完全不同于传统模式。参考文献：1刘吉平，郝向阳.纳米科学与技术M.北京：科学出版社.20022石新军.21 世纪纳米技术及其应用展望J.现代物理知识.2006(4):27303滕荣厚.纳米级材料的内涵、判据及其研究方向J.钢铁研究学报.1998(10)：61654宋功保，万朴，彭同江.浅谈纳米科学与技术J.西南工学院学报.2002(17)：75785白春礼.纳米科技现在与未来J.成都:纳米科技现在与未来.2002.66张立德，牟季美.纳米材料和纳米结构J.北京:科学出版社.2005.
