由于STM能够直接观察到原子在物质表面的排列状态和跟表面电子行为有关系的物理化学性质，因此，STM对表面科学、材料科学、生命科学和微电子科学技术的研究都有着重大的意义和广阔的应用前景。如图3-53为各种纳米材料的SPM图像，利用仪器的软件分析，可得到纳米材料的粒径分布等信息。在纳米尺度上进一步研究材料的特性，相位成像技术不可缺少。图3-54为利用STM对Fe原子与CO分子逐步进行反应的实时观察过程。......
2023-06-20
纳米材料的独特性能与应用
【摘要】：由于它独特的结构形态，从而产生了小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应与宏观量子隧道效应等，这些性能使得纳米材料拥有了传统材料所不具备的优良性能。此时，表面原子活性高，易与其他原子相结合，这一现象被称为纳米材料的表面效应。图1-1纳米材料形态宏观量子隧道效应：纳米材料的微观粒子具有贯穿势垒的能力被称之为隧道效应。表1-1纳米材料特性与应用续表
纳米材料是纳米科技发展的基础，纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米级别的特殊材料。研究表明，当物质达到纳米级别时，物质的性能将会发生改变并出现新的特性，这种具有纳米尺寸和特殊性能的材料被称之为纳米材料。纳米材料是近些年发展起来的新型材料，根据其形态可以分为：一维纳米材料（纳米纤维、纳米管、纳米线等）、二维纳米材料（纳米薄膜、纳米涂层等）、三维纳米材料（纳米陶瓷、多孔纳米材料、纳米支架等）以及三个维度都处于纳米级别的零维纳米材料（纳米胶囊、纳米颗粒等），如图1-1所示。对于纳米材料的研究包括两方面，一是研究纳米材料的性能与结构，通过与传统材料作对比，得出纳米材料的特殊规律；二是探索新型纳米材料制备方法，发展新型纳米材料。
由于它独特的结构形态，从而产生了小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应与宏观量子隧道效应等，这些性能使得纳米材料拥有了传统材料所不具备的优良性能。
（1）小尺寸效应：当纳米材料尺寸达到德布罗意波波长、光波波长和透射深度级别甚至更小时，材料晶体周期性的边界条件将会被破坏，同时材料颗粒表面层附近的原子密度会相对减少，这使得纳米材料的光、电、热、磁、吸收、催化、吸附以及生物活性等方面产生特殊性能。
（2）表面效应：随着材料尺寸的减小，材料的比表面积将会增加，同时单位质量材料表面原子数所占比重增多，使得原子配位数不足并具有较高的表面能。此时，表面原子活性高，易与其他原子相结合，这一现象被称为纳米材料的表面效应。
（3）量子尺寸效应：当材料粒子的尺寸降低到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象和纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级，能隙变宽现象均称为量子尺寸效应。
图1-1 纳米材料形态
（4）宏观量子隧道效应：纳米材料的微观粒子具有贯穿势垒的能力被称之为隧道效应。近年来，人们发现一些宏观量，例如微颗粒的磁化强度，量子相干器件中的磁通量等亦有隧道效应，称为宏观的量子隧道效应。
如今纳米材料种类较多，按化学性质可以将其分为纳米半导体、纳米复合材料、纳米陶瓷、纳米金属、纳米晶体等；按纳米材料的物理性能可以分为纳米磁性材料、纳米热点材料、纳米半导体材料等；按纳米材料的用途可以将其分为纳米电子器件、纳米敏感材料、纳米储能材料与药物传输载体材料等，其具体分类与用途如表1-1所示。
表1-1 纳米材料特性与应用
续表
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