金纳米颗粒的表征及光学性质研究(2)
1.1纳米材料特性
纳米材料最为显著的特性分别是小尺寸、量子尺寸、表面和宏观量子隧道效应。
1.1.1小尺寸效应
在一定的条件下颗粒的性质会随着其尺寸的变化而发生改变，这种引起物理性质改变的现象称为小尺寸效应[3]。纳米材料的尺寸变小，它的比表面积就会增加，使得其光学性质、热血性质、磁学性质、介电性能、声学特性、力学性质以及化学性能等发生变化。例如，在钨颗粒中加入0.1%～0.5%重量比的纳米镍颗粒后，能让烧结温度从3000℃降到1200℃～1300℃，这可以在较低的温度下烧成大功率半导体管的基片。磁性超微颗粒具有高矫顽力的特点，从而使其在磁带、磁盘以及磁卡等发面被广泛应用。
1.1.2量子尺寸效应
量子尺寸效应是指纳米颗粒由于颗粒尺寸的下降而引起的能隙变宽、存在最低未被占据和最高被占据分子轨道的现象。20世纪60年代，Kubo通过实验得出能级间距公式为：
δ=4Ef/3N
其中，Ef为费米势能，N为粒子中的总电子数。在纳米粒子中处于分立的量子化能集中的电子的波动性让其具有了一些特殊性质，如高的光学非线性和光催化性等。
1.1.3表面效应
纳米颗粒粒径减小会导致其表面原子和总原子数的比值增加，从而颗粒的性质会发生改变这种现象被称为表面效应[4]。纳米颗粒的尺寸和表面原子数的关系如下：
粒径（nm） 包含的原子（个）
表面原子所占例
1 99 30
2 80 2.5×102
5 40 4.0×103
10 20 3.0×104
20 10 2.5×105
从表中可以看出，粒子直径为20nm时，微粒包含250000个原子，表面原子占10%；当粒子直径为5nm时，微粒包含4000个原子，则表面原子占40%；而当粒子直径为1nm时，微粒包含了30个原子，表面原子则占99%。不难看出，颗粒直径减小的情况下，表面原子数则会有相应的增加。而表面原子数一旦增加，高的表面能以及原子配位的不足就导致了该原子极易和其他的原子相互结合。例如，无机纳米颗粒容易和在空气中的气体吸引结合，并与其发生反应。
1.1.4宏观量子隧道效应
量子隧道效应[5]是一种量子现象，当颗粒的总能量没有达到势垒高度的情况下，颗粒依旧能够穿过势垒。然而经典理论指出，颗粒要想穿越一能量的势垒，必须要从势垒的顶端越过。但在量子力学中，时间和能量由于量子的不确定性构成一组共轭量。即在确定的短时间内，能量不确定，从而造成颗粒穿过势垒的假象。近些年，人们发现颗粒的磁化强度、电荷以及量子器件的磁通量等这些宏观量同样有隧道效应，这就是宏观量子隧道效应。宏观量子隧道效应的发现在纳米技术的研究应用中有着很大的作用，例如，它规定磁带、磁盘在存储信息时不能超过限定时间。
1.2纳米材料的应用
当今科技的发展要求材料具有超微化、智能化、高密度存储、快速率传输、以及高度集成等特性，这使纳米材料展现出其独特的优势。美国提出的“国家纳米技术倡议”（NNI）中纳米技术涉及领域很广泛，其中包括纳米材料、纳米电子、光电子学、磁学、纳米医学和生物学。
1.2.1纳米材料在电子、光电子学和磁学方面的应用
磁性纳米粒子粒径小，有单磁畴结构和很强的矫顽力。用纳米材料来做磁记录不仅能提高信噪比，还能获得高质量的图像。例如，松下电器制成的纳米级威力录像带，就具有高信噪比、清晰的图像和失真小的特点。