纳米材料结构与性能
摘要
纳米材料具有的独特的物理和化学性质，使人们意识到它的发展可能给物理、化学、材料、生物、医药等学科的研究带来新的机遇。纳米材料的应用前景十分广阔。本文简要介绍了纳米材料在结构与性能方面的一些独特的性质，包括其物理效应以及物理化学性质。
关键字：纳米材料，效应，特性
1. 纳米材料
纳米材料是指特征尺寸在纳米数量级(通常指1~100 nm)的极细颗粒组成的固体材料。从广义上讲，纳米材料是指三维空间尺寸中至少有一维处于纳米量级的材料。通常分为零维材料（纳米微粒），一维材料（直径为纳米量级的纤维），二维材料（厚度为纳米量级的薄膜与多层膜），以及基于上述低维材料所构成的固体。从狭义上讲， 则主要包括纳米微粒及由它构成的纳米固体（体材料与微粒膜）。一般零维纳米材料有纳米颗粒、量子点等，一维纳米材料有纳米线、纳米棒、纳米管、纳米带等，二维纳米材料主要是纳米薄膜。实际研究当中还有一些材料比如象介孔材料、多孔材料、以及具有特殊结构的材料，它们整体在三维方向都超过了纳米范围，但是它们都是有纳米材料构成，并且具有纳米材料的性质，因此由纳米材料组成的块体材料也属于纳米材料的范围[1]。
2. 纳米材料的微观结构
纳米级的颗粒是由数目极少的原子或分子组成的原子群或分子群，是一种典型的介观系统。纳米晶粒内部的微观结构与粗晶材料基本相同，从结构上看，它是由两种组元构成的，即材料的体相组元晶体原子和界面组元晶界。纳米材料突出的结构特征是晶界原子的比例很大， 当晶粒尺寸为10 nm 时，一个金属纳米晶内的界面可达6×1025 m2，晶界原子达15% ~50%[2]。
目前很难用一个统一的模型来描述纳米晶界的微观结构，其原因在于纳米材料中的晶界结构相当复杂，若是常规材料，截面应该是一个完整的晶体结构，但对于纳米晶来说，由于晶粒尺寸小，界面组元在整个材料中所占的比例极大，晶
界缺陷所占的体积比也相当大，尽管每个单独的分界面可能具有一个二维局部或局域的有序结构，但从一个局部界面到另一个局部界面的周期不同，由所有这样的界面原子组成的界面，其原子排列方式均不同。它不但与材料的成分、键合类型、制备方法、成型条件以及所经历的热历史等因素密切相关，而且在同一块材料中不同晶界之间也各有差异。可以认为纳米材料中的界面存在着一个结构上的分布，它们处于无序到有序的中间状态，有的与粗晶界面结构十分接近，而有的则更趋于无序状态。因此， 在整体上构成了一种与晶态和玻璃态均有较大差别的、崭新的微观结构[3,4]。
3. 纳米材料的物理效应
由于材料尺度的减小，达到纳米范围以后，会表现出许多块体材料不具有的特殊物理效应，主要包括量子尺寸效应、宏观量子隧道效应、库仑阻塞效应、小尺寸效应、表面效应等[5,6,7,8]。
3.1. 量子尺寸效应
所谓量子尺寸效应是指当纳米材料的尺寸下降到一定程度时，其费米能级附近的电子能级由准连续转变为分立的现象，同时纳米材料的能隙变宽，以及由此导致的纳米材料光、磁、热、电、催化等特性与体材料显著不同的现象。
对半导体材料而言，尺寸小于其本身的激子玻尔半径，就会表现明显的量子效应。纳米半导体微粒存在不连续的最高被占分子轨道和最低未被占分子轨道能级，能隙变宽的现象均称为量子尺寸效应。早在60年代Kubo采用电子模型给出了能级间距与颗粒直径的关系为= 4Ef/3N。对常规物体，因包含有无限多个原子（N），故常规材料的能级间距几乎为零（0）；对于纳米微粒，因含原子数有限，有一定的值，即能级发生了分裂。当能级间距大于热能、磁能、光子能量或超导态的凝聚能时， 则引起能级改变、能隙变宽， 使粒子的发射能量增加， 光学吸收向短波方向移动， 直观上表现为样品颜色的变化， 这些必导致纳米晶体材料的光、热、磁、声、电等与常规材料有显著的不同， 如特异的光催化、较高的非线性光学效应等。量子尺寸效应产生最直接的影响就是纳米晶体吸收光谱的边界蓝移。这是由于在纳米尺度半导体微晶中， 光照产生的电子和空穴不再是自由的，存在库仑作用， 此电子-空穴对类似于大晶体中的激子。由
于空间的强烈束缚导致激子吸收峰蓝移， 带边以及导带中更高激发态均相应蓝移。粒子尺寸越小，激发态能移越大，吸收峰蓝移。
纳米材料中处于分立的量子化能级中电子的波动性带来了纳米材料的一系列特殊性质，如高度光学非线性、特异性催化和光催化性质、强氧化性和还原性（如随着半导体纳米晶粒粒径的减小，分立能级增大，其光生电子比宏观晶态材料具有更负的电位，相应地表现出更强的还原性；而光生空穴因具有更正的电位，表现出更强的氧化性）
3.2. 宏观量子隧道效应
量子隧道效应是从量子力学的粒子具有波粒二象性的观点出发，解释粒子能够穿越比总能量高的势垒，这是一种微观现象。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和量子相干器件中的磁通量等也具有隧道效应，称其为宏观量子隧道效应。微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。利用它可以解释纳米镍粒子在低温下继续保持超顺磁性的现象。宏观量子隧道效应的研究对基础研究及实用都有着重要意义。它限定了磁带、磁盘进行信息贮存的时间极限。量子尺寸效应、隧道效应将会是未来微电子器件的重要影响因素，它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限。当微电子器件进一步细微化时，必须要考虑上述的量子效应。
3.3． 库仑阻塞效应
所谓库仑阻塞效应是指单电子的输运行为。当体系的尺度进入纳米范围以后，e2
由于冲入一个电子的能量Ec，e为一个电子的电荷，C为材料的电容，材2C
料的尺度越小，能量EC越大。因此EC是上一个电子对下一个电子的排斥能，称
为库仑阻塞能，上述现象导致了电子不能集体传输，而是一个一个单电子传输。如果在利用量子隧穿可以设计下一代纳米结构器件，如性能优越，功耗低的单电子晶体管。然而库仑阻塞和量子隧穿一般都是在极低的温度下发现的，其观察条e2
kBT。件是因此假如我们能够减小体系的尺寸，就可以提高其发生的温度，2C
大概当量子点的尺寸为1 nm左右，就可以在室温下观察到并利用上述效应。
3.4. 介电限域效应
随着纳米晶粒粒径的不断减小和比表面积不断增加，其表面状态的改变将会引起微粒性质的显著变化。例如，当在半导体纳米材料表面修饰一层某种介电常数较小的介质时，相对裸露于半导体纳米材料周围的其它介质而言，被包覆的纳米材料中电荷载体的电力线更易穿过这层包覆膜，从而导致它比裸露纳米材料的光学性质有较大的变化，这就是介电限域效应。当纳米材料与介质的介电常数值相差较大时，便产生明显的介电限域效应。此时，带电粒子间的库仑作用力增强，结果增强了电子-空穴对之间的结合能和振子强度，减弱了产生量子尺寸效应的主要因素，电子-空穴对之间的空间限域能，即此时表面效应引起的能量变化大于空间效应所引起的能量变化，从而使能带间隙减小，反映在光学性质上就是吸收光谱表现出明显的红移现象。纳米材料与介质的介电常数相差越大，介电限域效应就越明显，吸收光谱红移也就越大
3.5. 小尺寸效应（或体积效应）
由于纳米材料尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。当纳米材料的尺寸与光波波长、德布罗意波长，以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏；非晶态纳米材料的颗粒表面层附近原子密度减小，磁性、内压、光吸收、热阻、化学活性、催化性及熔点等与普通粒子相比都有很大变化。纳米材料之所以具有这些奇特的宏观结构特征，是由于在纳米层次上，物质的尺寸不大不小，所包含的原子、分子数不多不少，其运动速度不快不慢。而决定物质性质的正是这个层次的由有限分子组装起来的集合体，而不再是传统观念上的材料性质直接决定于原子和分子。介于物质的宏观结构与微观原子、分子结构之间的层次(即小尺寸效应)对材料的物性起着决定性作用。对纳米颗粒而言，尺寸变小，同时其比表面积显著增加，从而产生一系列新奇的性质。一是光学性质，金属纳米颗粒对光的反射率很低，通常低于1%，大约几微米的厚度就能完全消光，所以所有的金属在纳米颗粒状态下都呈现黑色；二是热学性质，固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的，纳米颗粒的熔点却会显著降低。例如，金的常规熔点是1064℃，10nm的颗粒熔点降低了27℃，2nm的熔点仅为327℃；三是磁学性质，小尺寸的纳米颗粒磁性与大块材料显著不同，大块的纯铁矫顽力约为80A/m，而直径小于20nm时，其
矫顽力可以增加1000倍，当直径小于6mn时，其矫顽力反而降低为零，呈现出超顺磁性，可广泛地应用于电声器件、阻尼器件等。因此纳米材料尺寸的减小，会带来许多奇异的特性。
3.6. 表面与界面效应
表面效应是指纳米微粒表面原子与总原子数之比，随粒径的变小而急剧增大后引起性质上的变化。纳米材料的颗粒尺寸小，位于表面的原子所占的体积分数很大，产生相当大的表面能。随着纳米粒子尺寸的减小，比表面积急剧加大，表面原子数及比例迅速增大。由于表面原子数增多，比表面积大，使得表面原子处于“裸露”状态。周围缺少相邻的原子，原子配位数不足，存在未饱和键，导致了纳米颗粒表面存在许多缺陷，使这些表面具有很高的活性，特别容易吸附其他原子或与其他原子发生化学反应。这种表面原子的活性不但引起纳米粒子表面输运和构型的变化，同时也引起表面电子自旋、构象、电子能谱的变化。它是纳米粒子及其固体材料的最重要的效应之一。由于纳米粒子存在界面效应与表面效应，因而产生粒子表面过剩电荷、电荷载流子的相互作用、魔聚数与粒子稳定性以及粒度控制等研究课题。可以广泛的应用于催化，吸附等领域。而利用有机材料对纳米材料表面的修饰和改性可以得到超亲水和超疏水可调的纳米材料，可以广泛的用于民用工业。
4. 物理化学性能
纳米材料的物理性质和化学性质既不同于宏观物体，也不同于微观的原子和分子。当组成材料的尺寸达到纳米量级时，纳米材料表现出的性质与体材料有很大的不同。在纳米尺度范围内原子及分子的相互作用，强烈地影响物质的宏观性质[9,10,11,12]。
4.1. 力学性质
纳米材料强度与粒径成反比。纳米材料的位错密度很低，位错滑移和增殖符合Frank - Reed模型，其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径要大，增殖后位错塞积的平均间距一般比晶粒大，其位错滑移和增殖不会发生，这就是纳米晶强化效应。由于纳米材料具有大的界面，界面的原子排列相当混乱，原子在外力变形的条件下容易迁移，表现出良好的韧性与延展性。应用纳米技术制成超细或纳米晶
粒材料，其韧性、强度、硬度大幅提高。例如，氟化钙纳米材料在室温下可以大幅度弯曲而不断裂；呈纳米晶粒的金属比传统粗晶粒金属硬3～5倍；纳米陶瓷具有良好的韧性等等。
4.2. 热学性质
由于界面原子排列较为混乱、原子密度低、界面原子耦合作用变弱，纳米材料的比热和热膨胀系数大于同类粗晶材料和非晶体材料，在储热材料、纳米复合材料的机械耦合性能应用方面有广泛的应用。如Cr-Cr2O3颗粒膜对太阳光有强烈的吸收作用，能有效地将太阳光能转换为热能。固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的，超细微化后熔点将显著降低。如常规金熔点为1337K，当颗粒尺寸减小到2 nm时熔点为600 K。
4.3. 化学性能
纳米材料由于其粒径的减小，表面原子数所占比例很大，吸附能力强，因而具有较高的化学反应活性。许多金属纳米材料室温下在空气中就会被强烈氧化而燃烧，如TiN纳米晶粒（平均粒径为45 nm）在空气中加热即燃烧成为白色的TiO2纳米晶粒。即使是耐热、耐腐蚀的氮化物纳米材料也变得不稳定，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。宏观体系中均相基元反应的反应级数是由化学计量数决定的，速率常数不随浓度和时间而改变。但是，当处于分子筛笼内反应物的运动受到诸如容器、相界、力场、溶剂等空间阻碍及影响时，反应的动力学显示出与均相反应不同的结果。
4.4. 催化性能
早在50年代，人们对金属纳米材料的催化性能就进行了系统的研究，发现其在适当的条件下可以催化断裂H-H、C-C、C-H和C-O键。这主要是由于比表面积大，出现在表面上的活性中心数增多所致。纳米材料作为催化剂具有无细孔、无其他成分、能自由选择组分、使用条件温和以及使用方便等优点，从而避免了常规催化剂所引起的反应物向其内孔缓慢扩散带来的某些副产物的生成。并且这类催化剂不必附在惰性载体上使用，可直接放入液相反应体系中，反应产生的热量会随着反应液流动而不断向周围扩散，从而保证不会因局部过热导致催化剂结
构破坏而失去活性。另外，纳米材料作为光催化剂时因其粒径小，粒子到达表面的数量多，所以光催化效率也很高。
4.5. 光学性能
纳米材料的光学性质研究之一为线性光学性质。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，表明纳米材料的吸光能力越强。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，因而造成窄的吸收带。纳米材料光学性能研究的另一个方面为非线性光学效应。纳米材料由于自身的特性，光激发引发的吸收变化一般可分为两大部分：由光激发引起的自由电子-空穴对所产生的快速非线性部分和受陷阱作用的载流子的慢非线性过程。纳米半导体微粒的吸收光谱一般存在蓝移现象，其光吸收率大，可应用于红外线感测器材料。金属超微颗粒对光的反射率很低，可低于1%，大约几微米的厚度就能完全消光。利用这个特性可以作为高效率的光热、光电等转换材料，高效率地将太阳能转变为热能、电能。
4.6. 电磁性能
金属材料中的原子间距会随其粒径的减小而变小。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程将会减小，导致电导率的降低。由于电导率按a∝d3（d为粒径）规律急剧下降，因此原来的金属良导体实际上已完全转变成为绝缘体，这种现象称之为尺寸诱导的金属-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吗，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。而在纳米材料中，当粒径小于某一临界值时，每个晶粒都呈现单磁畴结构，而矫顽力显著增长。纳米材料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。当代计算机硬盘系统的磁记录密度超过1.55 Gb/cm2，在这情况下，感应法读出磁头和普通坡莫合金磁电阻磁头的磁致电阻效应为3%，已不能满足需要，而纳米多层膜系统的巨磁电阻效应高达50% ，可用于信息存储的磁电阻读出磁头，具有相当高的灵敏度和低噪音。 目前巨磁电阻效应的读出磁头可将磁盘的记录密度提高到1.71 Gb/cm2。同时纳米巨磁电阻材料的磁电阻与外磁场间存在近似线性的关系，可用作新型磁传感材料。高分子复合纳米材料对
可见光具有良好的透射率，对可见光的吸收系数比传统粗晶材料低得多，对红外波段的吸收系数至少比传统粗晶材料低3个数量级，磁性比FeBO3和FeF3透明体至少高1个数量级，在光磁系统、光磁材料中有广泛的应用。
由于晶界面上原子体积分数增大，纳米材料的电阻高于同类粗晶材料，甚至发生尺寸诱导金属-绝缘体转变（SMIT）。利用纳米粒子的隧道量子效应和库仑堵塞效应制成的纳米电子器件具有超高速、超容量、超微型、低能耗的特点，可用于取代常规半导体器件
4.7. 其他性能
除上述几方面物理化学特性外， 与宏观物质相比， 纳米材料在光催化性能、储氢性能、烧结性能等方面也显示出特异性能。由于纳米晶界原子间隙的增加和气孔的存在，使纳米材料的杨氏模量比粗晶材料减小30%以上。同时，由于晶粒减小到纳米级，使材料的强度和硬度随粒径的减小而增大可见，纳米材料所具有的特性还表现在：硬度高，可塑性强，高比热和热膨胀，高导电率和扩散性，高磁化率和高矫顽力。并且在熔点、蒸气压、相变温度、烧结、超导等许多方面也显示出与宏观晶体材料不同的特殊性能[13]。
总结
材料的结构决定材料的性质。纳米材料的特殊结构决定了纳米材料具有一系列的特异效应（如：小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等），这一系列效应导致了纳米材料在熔点、蒸气压、相变温度、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，从而使纳米材料己获得和正在获得广泛的应用。
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纳米材料结构与性能
摘要
纳米材料具有的独特的物理和化学性质，使人们意识到它的发展可能给物理、化学、材料、生物、医药等学科的研究带来新的机遇。纳米材料的应用前景十分广阔。本文简要介绍了纳米材料在结构与性能方面的一些独特的性质，包括其物理效应以及物理化学性质。
关键字：纳米材料，效应，特性
1. 纳米材料
纳米材料是指特征尺寸在纳米数量级(通常指1~100 nm)的极细颗粒组成的固体材料。从广义上讲，纳米材料是指三维空间尺寸中至少有一维处于纳米量级的材料。通常分为零维材料（纳米微粒），一维材料（直径为纳米量级的纤维），二维材料（厚度为纳米量级的薄膜与多层膜），以及基于上述低维材料所构成的固体。从狭义上讲， 则主要包括纳米微粒及由它构成的纳米固体（体材料与微粒膜）。一般零维纳米材料有纳米颗粒、量子点等，一维纳米材料有纳米线、纳米棒、纳米管、纳米带等，二维纳米材料主要是纳米薄膜。实际研究当中还有一些材料比如象介孔材料、多孔材料、以及具有特殊结构的材料，它们整体在三维方向都超过了纳米范围，但是它们都是有纳米材料构成，并且具有纳米材料的性质，因此由纳米材料组成的块体材料也属于纳米材料的范围[1]。
2. 纳米材料的微观结构
纳米级的颗粒是由数目极少的原子或分子组成的原子群或分子群，是一种典型的介观系统。纳米晶粒内部的微观结构与粗晶材料基本相同，从结构上看，它是由两种组元构成的，即材料的体相组元晶体原子和界面组元晶界。纳米材料突出的结构特征是晶界原子的比例很大， 当晶粒尺寸为10 nm 时，一个金属纳米晶内的界面可达6×1025 m2，晶界原子达15% ~50%[2]。
目前很难用一个统一的模型来描述纳米晶界的微观结构，其原因在于纳米材料中的晶界结构相当复杂，若是常规材料，截面应该是一个完整的晶体结构，但对于纳米晶来说，由于晶粒尺寸小，界面组元在整个材料中所占的比例极大，晶
界缺陷所占的体积比也相当大，尽管每个单独的分界面可能具有一个二维局部或局域的有序结构，但从一个局部界面到另一个局部界面的周期不同，由所有这样的界面原子组成的界面，其原子排列方式均不同。它不但与材料的成分、键合类型、制备方法、成型条件以及所经历的热历史等因素密切相关，而且在同一块材料中不同晶界之间也各有差异。可以认为纳米材料中的界面存在着一个结构上的分布，它们处于无序到有序的中间状态，有的与粗晶界面结构十分接近，而有的则更趋于无序状态。因此， 在整体上构成了一种与晶态和玻璃态均有较大差别的、崭新的微观结构[3,4]。
3. 纳米材料的物理效应
由于材料尺度的减小，达到纳米范围以后，会表现出许多块体材料不具有的特殊物理效应，主要包括量子尺寸效应、宏观量子隧道效应、库仑阻塞效应、小尺寸效应、表面效应等[5,6,7,8]。
3.1. 量子尺寸效应
所谓量子尺寸效应是指当纳米材料的尺寸下降到一定程度时，其费米能级附近的电子能级由准连续转变为分立的现象，同时纳米材料的能隙变宽，以及由此导致的纳米材料光、磁、热、电、催化等特性与体材料显著不同的现象。
对半导体材料而言，尺寸小于其本身的激子玻尔半径，就会表现明显的量子效应。纳米半导体微粒存在不连续的最高被占分子轨道和最低未被占分子轨道能级，能隙变宽的现象均称为量子尺寸效应。早在60年代Kubo采用电子模型给出了能级间距与颗粒直径的关系为= 4Ef/3N。对常规物体，因包含有无限多个原子（N），故常规材料的能级间距几乎为零（0）；对于纳米微粒，因含原子数有限，有一定的值，即能级发生了分裂。当能级间距大于热能、磁能、光子能量或超导态的凝聚能时， 则引起能级改变、能隙变宽， 使粒子的发射能量增加， 光学吸收向短波方向移动， 直观上表现为样品颜色的变化， 这些必导致纳米晶体材料的光、热、磁、声、电等与常规材料有显著的不同， 如特异的光催化、较高的非线性光学效应等。量子尺寸效应产生最直接的影响就是纳米晶体吸收光谱的边界蓝移。这是由于在纳米尺度半导体微晶中， 光照产生的电子和空穴不再是自由的，存在库仑作用， 此电子-空穴对类似于大晶体中的激子。由
于空间的强烈束缚导致激子吸收峰蓝移， 带边以及导带中更高激发态均相应蓝移。粒子尺寸越小，激发态能移越大，吸收峰蓝移。
纳米材料中处于分立的量子化能级中电子的波动性带来了纳米材料的一系列特殊性质，如高度光学非线性、特异性催化和光催化性质、强氧化性和还原性（如随着半导体纳米晶粒粒径的减小，分立能级增大，其光生电子比宏观晶态材料具有更负的电位，相应地表现出更强的还原性；而光生空穴因具有更正的电位，表现出更强的氧化性）
3.2. 宏观量子隧道效应
量子隧道效应是从量子力学的粒子具有波粒二象性的观点出发，解释粒子能够穿越比总能量高的势垒，这是一种微观现象。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和量子相干器件中的磁通量等也具有隧道效应，称其为宏观量子隧道效应。微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。利用它可以解释纳米镍粒子在低温下继续保持超顺磁性的现象。宏观量子隧道效应的研究对基础研究及实用都有着重要意义。它限定了磁带、磁盘进行信息贮存的时间极限。量子尺寸效应、隧道效应将会是未来微电子器件的重要影响因素，它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限。当微电子器件进一步细微化时，必须要考虑上述的量子效应。
3.3． 库仑阻塞效应
所谓库仑阻塞效应是指单电子的输运行为。当体系的尺度进入纳米范围以后，e2
由于冲入一个电子的能量Ec，e为一个电子的电荷，C为材料的电容，材2C
料的尺度越小，能量EC越大。因此EC是上一个电子对下一个电子的排斥能，称
为库仑阻塞能，上述现象导致了电子不能集体传输，而是一个一个单电子传输。如果在利用量子隧穿可以设计下一代纳米结构器件，如性能优越，功耗低的单电子晶体管。然而库仑阻塞和量子隧穿一般都是在极低的温度下发现的，其观察条e2
kBT。件是因此假如我们能够减小体系的尺寸，就可以提高其发生的温度，2C
大概当量子点的尺寸为1 nm左右，就可以在室温下观察到并利用上述效应。
3.4. 介电限域效应
随着纳米晶粒粒径的不断减小和比表面积不断增加，其表面状态的改变将会引起微粒性质的显著变化。例如，当在半导体纳米材料表面修饰一层某种介电常数较小的介质时，相对裸露于半导体纳米材料周围的其它介质而言，被包覆的纳米材料中电荷载体的电力线更易穿过这层包覆膜，从而导致它比裸露纳米材料的光学性质有较大的变化，这就是介电限域效应。当纳米材料与介质的介电常数值相差较大时，便产生明显的介电限域效应。此时，带电粒子间的库仑作用力增强，结果增强了电子-空穴对之间的结合能和振子强度，减弱了产生量子尺寸效应的主要因素，电子-空穴对之间的空间限域能，即此时表面效应引起的能量变化大于空间效应所引起的能量变化，从而使能带间隙减小，反映在光学性质上就是吸收光谱表现出明显的红移现象。纳米材料与介质的介电常数相差越大，介电限域效应就越明显，吸收光谱红移也就越大
3.5. 小尺寸效应（或体积效应）
由于纳米材料尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。当纳米材料的尺寸与光波波长、德布罗意波长，以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏；非晶态纳米材料的颗粒表面层附近原子密度减小，磁性、内压、光吸收、热阻、化学活性、催化性及熔点等与普通粒子相比都有很大变化。纳米材料之所以具有这些奇特的宏观结构特征，是由于在纳米层次上，物质的尺寸不大不小，所包含的原子、分子数不多不少，其运动速度不快不慢。而决定物质性质的正是这个层次的由有限分子组装起来的集合体，而不再是传统观念上的材料性质直接决定于原子和分子。介于物质的宏观结构与微观原子、分子结构之间的层次(即小尺寸效应)对材料的物性起着决定性作用。对纳米颗粒而言，尺寸变小，同时其比表面积显著增加，从而产生一系列新奇的性质。一是光学性质，金属纳米颗粒对光的反射率很低，通常低于1%，大约几微米的厚度就能完全消光，所以所有的金属在纳米颗粒状态下都呈现黑色；二是热学性质，固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的，纳米颗粒的熔点却会显著降低。例如，金的常规熔点是1064℃，10nm的颗粒熔点降低了27℃，2nm的熔点仅为327℃；三是磁学性质，小尺寸的纳米颗粒磁性与大块材料显著不同，大块的纯铁矫顽力约为80A/m，而直径小于20nm时，其
矫顽力可以增加1000倍，当直径小于6mn时，其矫顽力反而降低为零，呈现出超顺磁性，可广泛地应用于电声器件、阻尼器件等。因此纳米材料尺寸的减小，会带来许多奇异的特性。
3.6. 表面与界面效应
表面效应是指纳米微粒表面原子与总原子数之比，随粒径的变小而急剧增大后引起性质上的变化。纳米材料的颗粒尺寸小，位于表面的原子所占的体积分数很大，产生相当大的表面能。随着纳米粒子尺寸的减小，比表面积急剧加大，表面原子数及比例迅速增大。由于表面原子数增多，比表面积大，使得表面原子处于“裸露”状态。周围缺少相邻的原子，原子配位数不足，存在未饱和键，导致了纳米颗粒表面存在许多缺陷，使这些表面具有很高的活性，特别容易吸附其他原子或与其他原子发生化学反应。这种表面原子的活性不但引起纳米粒子表面输运和构型的变化，同时也引起表面电子自旋、构象、电子能谱的变化。它是纳米粒子及其固体材料的最重要的效应之一。由于纳米粒子存在界面效应与表面效应，因而产生粒子表面过剩电荷、电荷载流子的相互作用、魔聚数与粒子稳定性以及粒度控制等研究课题。可以广泛的应用于催化，吸附等领域。而利用有机材料对纳米材料表面的修饰和改性可以得到超亲水和超疏水可调的纳米材料，可以广泛的用于民用工业。
4. 物理化学性能
纳米材料的物理性质和化学性质既不同于宏观物体，也不同于微观的原子和分子。当组成材料的尺寸达到纳米量级时，纳米材料表现出的性质与体材料有很大的不同。在纳米尺度范围内原子及分子的相互作用，强烈地影响物质的宏观性质[9,10,11,12]。
4.1. 力学性质
纳米材料强度与粒径成反比。纳米材料的位错密度很低，位错滑移和增殖符合Frank - Reed模型，其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径要大，增殖后位错塞积的平均间距一般比晶粒大，其位错滑移和增殖不会发生，这就是纳米晶强化效应。由于纳米材料具有大的界面，界面的原子排列相当混乱，原子在外力变形的条件下容易迁移，表现出良好的韧性与延展性。应用纳米技术制成超细或纳米晶
粒材料，其韧性、强度、硬度大幅提高。例如，氟化钙纳米材料在室温下可以大幅度弯曲而不断裂；呈纳米晶粒的金属比传统粗晶粒金属硬3～5倍；纳米陶瓷具有良好的韧性等等。
4.2. 热学性质
由于界面原子排列较为混乱、原子密度低、界面原子耦合作用变弱，纳米材料的比热和热膨胀系数大于同类粗晶材料和非晶体材料，在储热材料、纳米复合材料的机械耦合性能应用方面有广泛的应用。如Cr-Cr2O3颗粒膜对太阳光有强烈的吸收作用，能有效地将太阳光能转换为热能。固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的，超细微化后熔点将显著降低。如常规金熔点为1337K，当颗粒尺寸减小到2 nm时熔点为600 K。
4.3. 化学性能
纳米材料由于其粒径的减小，表面原子数所占比例很大，吸附能力强，因而具有较高的化学反应活性。许多金属纳米材料室温下在空气中就会被强烈氧化而燃烧，如TiN纳米晶粒（平均粒径为45 nm）在空气中加热即燃烧成为白色的TiO2纳米晶粒。即使是耐热、耐腐蚀的氮化物纳米材料也变得不稳定，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。宏观体系中均相基元反应的反应级数是由化学计量数决定的，速率常数不随浓度和时间而改变。但是，当处于分子筛笼内反应物的运动受到诸如容器、相界、力场、溶剂等空间阻碍及影响时，反应的动力学显示出与均相反应不同的结果。
4.4. 催化性能
早在50年代，人们对金属纳米材料的催化性能就进行了系统的研究，发现其在适当的条件下可以催化断裂H-H、C-C、C-H和C-O键。这主要是由于比表面积大，出现在表面上的活性中心数增多所致。纳米材料作为催化剂具有无细孔、无其他成分、能自由选择组分、使用条件温和以及使用方便等优点，从而避免了常规催化剂所引起的反应物向其内孔缓慢扩散带来的某些副产物的生成。并且这类催化剂不必附在惰性载体上使用，可直接放入液相反应体系中，反应产生的热量会随着反应液流动而不断向周围扩散，从而保证不会因局部过热导致催化剂结
构破坏而失去活性。另外，纳米材料作为光催化剂时因其粒径小，粒子到达表面的数量多，所以光催化效率也很高。
4.5. 光学性能
纳米材料的光学性质研究之一为线性光学性质。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，表明纳米材料的吸光能力越强。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，因而造成窄的吸收带。纳米材料光学性能研究的另一个方面为非线性光学效应。纳米材料由于自身的特性，光激发引发的吸收变化一般可分为两大部分：由光激发引起的自由电子-空穴对所产生的快速非线性部分和受陷阱作用的载流子的慢非线性过程。纳米半导体微粒的吸收光谱一般存在蓝移现象，其光吸收率大，可应用于红外线感测器材料。金属超微颗粒对光的反射率很低，可低于1%，大约几微米的厚度就能完全消光。利用这个特性可以作为高效率的光热、光电等转换材料，高效率地将太阳能转变为热能、电能。
4.6. 电磁性能
金属材料中的原子间距会随其粒径的减小而变小。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程将会减小，导致电导率的降低。由于电导率按a∝d3（d为粒径）规律急剧下降，因此原来的金属良导体实际上已完全转变成为绝缘体，这种现象称之为尺寸诱导的金属-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吗，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。而在纳米材料中，当粒径小于某一临界值时，每个晶粒都呈现单磁畴结构，而矫顽力显著增长。纳米材料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。当代计算机硬盘系统的磁记录密度超过1.55 Gb/cm2，在这情况下，感应法读出磁头和普通坡莫合金磁电阻磁头的磁致电阻效应为3%，已不能满足需要，而纳米多层膜系统的巨磁电阻效应高达50% ，可用于信息存储的磁电阻读出磁头，具有相当高的灵敏度和低噪音。 目前巨磁电阻效应的读出磁头可将磁盘的记录密度提高到1.71 Gb/cm2。同时纳米巨磁电阻材料的磁电阻与外磁场间存在近似线性的关系，可用作新型磁传感材料。高分子复合纳米材料对
可见光具有良好的透射率，对可见光的吸收系数比传统粗晶材料低得多，对红外波段的吸收系数至少比传统粗晶材料低3个数量级，磁性比FeBO3和FeF3透明体至少高1个数量级，在光磁系统、光磁材料中有广泛的应用。
由于晶界面上原子体积分数增大，纳米材料的电阻高于同类粗晶材料，甚至发生尺寸诱导金属-绝缘体转变（SMIT）。利用纳米粒子的隧道量子效应和库仑堵塞效应制成的纳米电子器件具有超高速、超容量、超微型、低能耗的特点，可用于取代常规半导体器件
4.7. 其他性能
除上述几方面物理化学特性外， 与宏观物质相比， 纳米材料在光催化性能、储氢性能、烧结性能等方面也显示出特异性能。由于纳米晶界原子间隙的增加和气孔的存在，使纳米材料的杨氏模量比粗晶材料减小30%以上。同时，由于晶粒减小到纳米级，使材料的强度和硬度随粒径的减小而增大可见，纳米材料所具有的特性还表现在：硬度高，可塑性强，高比热和热膨胀，高导电率和扩散性，高磁化率和高矫顽力。并且在熔点、蒸气压、相变温度、烧结、超导等许多方面也显示出与宏观晶体材料不同的特殊性能[13]。
总结
材料的结构决定材料的性质。纳米材料的特殊结构决定了纳米材料具有一系列的特异效应（如：小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等），这一系列效应导致了纳米材料在熔点、蒸气压、相变温度、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，从而使纳米材料己获得和正在获得广泛的应用。
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