纳米尺度效应

一：纳米材料的四大效应及其实际意思是什么啊？ 10分

表面效应：当颗粒的直径减小到纳米尺度范围时，随着粒径减小，比表面积和表面原子数迅速增加。

量子尺寸效应：当金属或半导体从三维减小至零维时，载流子在各个方向上均受限，随着粒子尺寸下降到接近或小于某一值（激子玻尔半径）时，费米能级附近的电子能级由准连续能级变为分立能级的现象称为量子尺寸效应。金属或半导体纳米微粒的电子态由体相材料的连续能带过渡到分立结构的能级，表现在光学吸收谱上从没有结构的宽吸收过渡到具有结构的特征吸收。量子尺寸效应带来的能级改变、能隙变宽，使微粒的发射能量增加，光学吸收向短波长方向移动（蓝移），直观上表现为样品颜色的变化，如CdS微粒由黄色逐渐变为浅黄色，金的微粒失去金属光泽而变为黑色等。同时，纳米微粒也由于能级改变而产生大的光学三阶非线性响应，还原及氧化能力增强，从而具有更优异的光电催化活性[5,6]。

小尺寸效应[7]：当物质的体积减小时，将会出现两种情形：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；另一种是物质本身的性质也发生了变化，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，材料的磁性、内压、光吸收、热阻、化学活性、催化活性及熔点等与普通晶粒相比都有很大的变化，这就是纳米材料的体积效应，亦即小尺寸效应。这种特异效应为纳米材料的应用开拓了广阔的新领域，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边的位移，从而制造出具有一定频宽的微波吸收纳米材料。

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：微粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量以及电荷等也具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统中的势垒并产生变化，称为宏观量子隧道效应[8]．利用这个概念可以定性解释超细镍粉在低温下继续保持超顺磁性。Awachalsom等人采用扫描隧道显微镜技术控制磁性粒子的沉淀，并研究低温条件下微粒磁化率对频率的依赖性，证实了低温下确实存在磁的宏观量子隧道效应[9]宏观量子隧道效应的研究对基础研究和实际应用都有重要的意义。它限定了磁带、磁盘进行信息存储的时间极限。宏观量子隧道效应与量子尺寸效应，是未来微电子器件的基础，或者说确立了现有微电子器件进一步微型化的极限。

库仑堵塞与量子隧穿[10,11] ：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e2/2C，e为一个电子的电荷，C为小体系的电容，体系越小，C越小，能量Ec越大。我们把这个能量称为库仑堵塞能。换句话说，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。通常把小体系中这种单电子输运行为称为库仑堵塞效应。如果两个量子点通亥一个“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关等。以上几种效应都是纳米微粒和纳米固体的基本特性，它使纳米微粒和纳米固体呈现出许多奇特的物理和化学性质[2,12] ，出现一些不同于其它大块材料的反常现象。这使纳米材料具有了传统材料所没有的优异性能和巨大的应用前景，成为材料科学......余下全文>>

二：尺度效应的尺度效应

介观性能度效应的结构特征介观（Mesoscopic）是指介乎与原子结构对应的微观尺度和连续介质理论适用的宏观尺度之间的尺度范畴。介观尺度并非一个确定的尺度区间，而应随具体材料的结构种类和所需要表征的材料性质而发生变化，这个尺度的基本特征是量子状态和经典状态的交叉和混合，因而赋予材料或器件许多优异的结构和功能特性。尺度效应衍生的特异介观性能已日益引起世界范围科技界、产业界和政府部门的重视。材料的微结构特性是导致性能尺度效应的内禀原因，与材料中原子或分子键合状态有关，其敏感性从离子键到金属键到不同键合程度的高分子键到软物质。材料的此类微结构与晶体的最小结构单元（例如晶粒尺度、薄膜厚度等）、晶体缺陷（含缺陷复合体）及各种界面（晶界、相界）与表面有密切关联，同时强烈地受到材料服役外场条件的影响。尺度效应可引起主要相互作用力的不同，导致材料内禀性能及其规律和原理的质的区别。例如，薄膜材料发生形态演化的时间尺度在同等条件下远低于相应的体材料；随着线宽的降低，Cu膜蠕变行为发生的温度可由相应块体材料的高温区间逐渐降至室温；电子或声子的特征散射长度系纳米量级，当纳米微粒的尺度小于此平均自由途径时，电流或热的传递方式就发生质的改变；铁电与介电薄膜的介电响应、相变及疲劳机制对尺度效应亦极其敏感；纳米金属的重要力学性质如强度、延性等具有典型的尺度效应；铁磁材料的磁学性能及非线性光学材料的非线性参量也会随着材料尺度的变化而发生显著的改变。内陆河灌区土壤水分空间变异的尺度效应采用经典统计学和地统计学Kriging插值法研究了内陆河灌区土壤水分空间变异的尺度效应.结果表明，尺度对经典统计学参数中的中值和平均值的影响很小，对方差和变异系数的影响较大.在垂直剖面上，不同水平层次土壤含水量的方差和变异系数的变化规律随尺度而不同.土壤水分的等值线在垂直剖面上的分布规律在相同的尺度下是不同的，并且与经典统计学参数所反映的垂直变化规律也不相同，但相邻层次上具有相似性.在尺度变化的情况下，随着尺度的变大，土壤水分的等值线变得越来越稀疏，闭合中心的数量逐渐减少，位置发生移动.说明土壤水分空间变异性与采样点数目和采样尺度密切相关，随着采样尺度的增加，土壤性质的结构等级发生转变，不同结构性等级中，影响土壤水分的过程、因素不同。

三：纳米材料的五大效应

表面效应是指纳米粒子表面原子与总原子数之比随着粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。表9-2给出了纳米粒子尺寸与表面原子数的关系。表1 纳米粒子尺寸与表面原子数的关系 粒径（nm） 包含的原子（个） 表面原子所占例 20 2.5X10^5 10 10 3.0X10^4 20 5 4.0X10^3 40 2 2.5X10^2 80 1 30 99 从表可以看出，随粒径减小，表面原子数迅速增加。另外，随着粒径的减小，纳米粒子的表面积、表面能的都迅速增加。这主要是粒径越小，处于表面的原子数越多。表面原子的晶体场环境和结合能与内部原子不同。表面原子周围缺少相邻的原子，有许多悬空键，具有不饱和性质，易于其他原子想结合而稳定下来，因而表现出很大的化学和催化活性。 粒子尺寸下降到一定值时，费米能级接近的电子能级由准连续能级变为分立能级的现象称为量子尺寸效应。Kubo采用一电子模型求得金属超微粒子的能级间距为：4Ef/3N式中Ef为费米势能，N为微粒中的原子数。宏观物体的N趋向于无限大，因此能级间距趋向于零。纳米粒子因为原子数有限，N值较小，导致有一定的值，即能级间距发生分裂。半导体纳米粒子的电子态由体相材料的连续能带随着尺寸的减小过渡到具有分立结构的能级，表现在吸收光谱上就是从没有结构的宽吸收带过渡到具有结构的吸收特性。在纳米粒子中处于分立的量子化能级中的电子的波动性带来了纳米粒子一系列特性，如高的光学非线性，特异的催化和光催化性质等。 纳米粒子的介电限域效应较少不被注意到。实际样品中，粒子被空气﹑聚合物﹑玻璃和溶剂等介质所包围，而这些介质的折射率通常比无机半导体低。光照射时，由于折射率不同产生了界面，邻近纳米半导体表面的区域﹑纳米半导体表面甚至纳米粒子内部的场强比辐射光的光强增大了。这种局部的场强效应，对半导体纳米粒子的光物理及非线性光学特性有直接的影响。对于无机-有机杂化材料以及用于多相反应体系中光催化材料，介电限域效应对反应过程和动力学有重要影响上述的小尺寸效应﹑表面效应﹑量子尺寸效应﹑宏观量子隧道效应和介电限域应都是纳米微粒和纳米固体的基本特征，这一系列效应导致了纳米材料在熔点﹑蒸气压﹑光学性质﹑化学反应性﹑磁性﹑超导及塑性形变等许多物理和化学方面都显示出特殊的性能。它使纳米微粒和纳米固体呈现许多奇异的物理﹑化学性质。

四：小尺度效应是什么？

小尺度效应确实是一种泛称.

一般是说,当物质的凝聚态达到比较小的尺度级别的时候,由于集中基本作用力的对比发生巨大变化而导致的与宏观世界所迥异的理化性质.

比如说:

导线在细到一定程度之后,电子将不再局限与沿导线的定向移动.还有在大尺度下完全可以忽视的场效应.

静电可以在小尺度世界发挥巨大的作用,而在宏观世界,则只能起点缀的作用.

张力由于只能影响边界,所以在大尺度下没有太大影响力.但是尺度缩小后表面的比例迅速增大,张力的作用举足轻重.

其他的小尺度效应则基本是基于量子力学中的量子化概念,不确定性概念,波粒二相概念而导致的.

五：纳米是多少米？

纳米是长度单位，原称毫微米，就是10^-9米（10亿分之一米），即10^-6毫米（100万分之一毫米）。纳米科学与技术，有时简称为纳米技术，是研究结构尺寸在1至100纳米范围内材料的性质和应用。纳米效应就是指纳米材料具有传统材料所不具备的奇异或反常的物理、化学特性，如原本导电的铜到某一纳米级界限就不导电，原来绝缘的二氧化硅、晶体等，在某一纳米级界限时开始导电。这是由于纳米材料具有颗粒尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子所占比例大等特点，以及其特有的三大效应：表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。 对于固体粉末或纤维，当其有一维尺寸小于100nm，即达到纳米尺寸，即可称为所谓纳米材料，对于理想球状颗粒，当比表面积大于60m2/g时，其直径将小于100nm，即达到纳米尺寸。纳米比表面积研究和相关数据报告中，只有采用BET方法检测出来的结果才是真实可靠的，因为国内外制定出来的比表面积测定标准都是以BET测试方法为基础的。(GB.T 19587-2004)-气体吸附BET原理测定固态物质比表面积的方法。比表面积测定分析有专用的比表面积测试仪，国内比较成熟的是动态氮吸附法，现有国产仪器中大多数还只能进行直接对比法的，北京金埃谱科技公司的F-Sorb 2400新型比表面积分析仪是真正能够实现BET法检测功能的仪器（兼备直接对比法），更重要的北京金埃谱科技公司的F-Sorb 2400比表面积分析仪是迄今为止国内唯一完全自动化智能化的比表面积检测设备，其测试结果与国际一致性很高，稳定性也很好，同时减少人为误差，提高测试结果精确性。