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　　著名的諾貝爾獎獲得者 Feyneman在 20世紀 60年代曾經預言：如果我們對物體微小規模上的排列加以某種控制的話，我們就能使物體得到大量的異乎尋常的特性，就會看到材料的性能產生豐富的變化。他所說的材料就是現在的納米材料。納米材料是指晶粒尺寸為納米級 (10-9m)的超細材料。它的微粒尺寸大于原子簇，小于通常的微粒，一般為 1～102 nm。它包括體積分數近似相等的兩個部分：一是直徑為幾個或幾十個納米的粒子 ,二是粒子間的界面。前者具有長程序的晶狀結構，后者是既沒有長程序也沒有短程序的無序結構[1 , 2 ]。1984年德國薩爾蘭大學的 Gleiter以及美國阿貢試驗室的 Siegel相繼成功地制得了純物質的納米細粉。Gleiter在高潔凈真空的條件下將粒徑為 6 nm的Fe粒子原位加壓成形，燒結得到納米微晶塊體 ,從而使納米材料進入了一個新的階段 [3 ]。1990年7月在美國召開的第一屆國際納米科學技術會議 ,正式宣布納米材料科學為材料科學的一個新分支。從材料的結構單元層次來說 ,它介于宏觀物質和微觀原子、分子的中間領域。在納米材料中 ,界面原子占極大比例 ,而且原子排列互不相同 ,界面周圍的晶格結構互不相關 ,從而構成與晶態、非晶態均不同的一種新的結構狀態 [4]。在納米材料中 ,納米晶粒和由此而產生的高濃度晶界是它的兩個重要特征。納米晶粒中的原子排列已不能處理成無限長程有序 ,通常大晶體的連續能帶分裂成接近分子軌道的能級 ,高濃度晶界及晶界原子的特殊結構導致材料的力學性能、磁性、介電性、超導性、光學乃至熱力學性能的改變 [5～7]。納米相材料跟普通的金屬、陶瓷 ,和其他固體材料都是由同樣的原子組成 ,只不過這些原子排列成了納米級的原子團 ,成為組成這些新材料的結構粒子或結構單元。一個直徑為 3 nm的原子團包含大約 900個原子 ,幾乎是英文里一個句點的百萬分之一 ,這個比例相當于一條300多米長的船跟整個地球的比例 [8]。納米材料研究是目前材料科學研究的一個熱點 ,其相應發展起來的納米技術被公認為是 2 1世紀最具有前途的科研領域。 

　　1　納米材料的特性 

　　1.1　納米材料的表面效應 

　　納米材料的表面效應是指納米粒子的表面原子數與總原子數之比隨粒徑的變小而急劇增大[9]后所引起的性質上的變化 。（圖略） 

　　1.2　納米材料的體積效應 [1 0 ] 

　　由于納米粒子體積極小 ,所包含的原子數很少。因此 ,許多現象就不能用通常有無限個原子的塊狀物質的性質加以說明 ,這種特殊的現象通常稱之為體積效應。其中有名的久保理論就是體積效應的典型例子。久保理論是針對金屬納米粒子費米面附近電子能級狀態分布而提出的。久保把金屬納米粒子靠近費米面附近的電子狀態看作是受尺寸限制的簡并電子態 ,并進一步假設它們的能級為準粒子態的不連續能級 ,并認為相鄰電子能級間距 δ和金屬納米粒子的直徑 d的關系為 : 

　　　　 δ=4EF/ 3 N∝ V-1∞1 / d3 (1 ) 

　　其中 ,N為一個金屬納米粒子的總導電電子數 ;V為納米粒子的體積 ;EF 為費米能級。隨著納米粒子的直徑減小 ,能級間隔增大 ,電子移動困難 ,電阻率增大 ,從而使能隙變寬 ,金屬導體將變為絕緣體。 

　　1.3　納米材料的量子尺寸效應 [1 1 ] 

　　當納米粒子的尺寸下降到某一值時 ,金屬粒子費米面附近電子能級由準連續變為離散能級 ;并且納米半導體微粒存在不連續的最高被占據的分子軌道能級和最低未被占據的分子軌道能級 ,使得能隙變寬的現象 ,被稱為納米材料的量子尺寸效應。在納米粒子中處于分立的量子化能級中的電子的波動性帶來了納米粒子的一系列特殊性質 ,如高的光學非線性 ,特異的催化和光催化性質等。當納米粒子的尺寸與光波波長 ,德布羅意波長 ,超導態的相干長度或與磁場穿透深度相當或更小時 ,晶體周期性邊界條件將被破壞 ,非晶態納米微粒的顆粒表面層附近的原子密度減小 ,導致聲、光、電、磁、熱力學等特性出現異常。如光吸收顯著增加 ,超導相向正常相轉變 ,金屬熔點降低 ,增強微波吸收等。利用等離子共振頻移隨顆粒尺寸變化的性質 ,可以改變顆粒尺寸 ,控制吸收邊的位移 ,制造具有一定頻寬的微波吸收納米材料 ,用于電磁波屏蔽、隱型飛機等。 

　　由于納米粒子細化 ,晶界數量大幅度的增加 ,可使材料的強度、韌性和超塑性大為提高。其結構顆粒對光 ,機械應力和電的反應完全不同于微米或毫米級的結構顆粒 ,使得納米材料在宏觀上顯示出許多奇妙的特性 ,例如 :納米相銅強度比普通銅高 5倍 ;納米相陶瓷的韌性是極高的 ,這與大顆粒組成的普通陶瓷完全不一樣。納米材料從根本上改變了材料的結構 ,可望得到諸如高強度金屬和合金、塑性陶瓷、金屬間化合物以及性能特異的原子規模復合材料等新一代材料 ,為克服材料科學研究領域中長期未能解決的問題開拓了新的途徑。 

　　2　納米技術的應用及前景 

　　2.1　納米技術在陶瓷領域的應用 

　　陶瓷材料作為材料的三大支柱之一 ,在日常生活及工業生產中起著舉足輕重的作用。但是 ,由于傳統陶瓷材料質地較脆 ,韌性、強度較差 ,因而使其應用受到了較大的限制。隨著納米技術的廣泛應用 ,納米陶瓷隨之產生 ,希望以此來克服陶瓷材料的脆性 ,使陶瓷具有象金屬一樣的柔韌性和可加工性。英國著名材料專家 Cahn指出納米陶瓷是解決陶瓷脆性的戰略途徑。 

　　所謂納米陶瓷 ,是指顯微結構中的物相具有納米級尺度的陶瓷材料 ,也就是說晶粒尺寸、晶界寬度、第二相分布、缺陷尺寸等都是在納米量級的水平上[1 2 ]。要制備納米陶瓷 ,這就需要解決 :粉體尺寸、形貌和分布的控制 ,團聚體的控制和分散 ,塊體形態、缺陷、粗糙度以及成分的控制。 

　　 Gleiter指出 [13],如果多晶陶瓷是由大小為幾個納米的晶粒組成 ,則能夠在低溫下變為延性的 ,能夠發生 100 %的塑性形變。并且發現 ,納米 TiO2 陶瓷材料在室溫下具有優良的韌性 ,在 180℃經受彎曲而不產生裂紋。許多專家認為 [1 4],如能解決單相納米陶瓷的燒結過程中抑制晶粒長大的技術問題 ,從而控制陶瓷晶粒尺寸在 50 nm以下的納米陶瓷 ,則它將具有的高硬度、高韌性、低溫超塑性、易加工等傳統陶瓷無與倫比的優點。上海硅酸鹽研究所研究發現 ,納米 3Y-TZP陶瓷 (100 nm左右 )在經室溫循環拉伸試驗后 ,其樣品的斷口區域發生了局部超塑性形變 ,形變量高達380 %,并從斷口側面觀察到了大量通常出現在金屬斷口的滑移線 [1 5]。Tatsuki等人對制得的 Al2O3 -SiC納米復相陶瓷進行拉伸蠕變實驗 ,結果發現伴隨晶界的滑移 ,Al2O3 晶界處的納米 SiC粒子發生旋轉并嵌入Al2O3 晶粒之中 ,從而增強了晶界滑動的阻力 ,也即提高了Al2O3 -SiC納米復相陶瓷的蠕變能力 [1 6]。 

　　我們曾經利用化學共沉淀結合高頻等離子體焙解新工藝[1 7, 1 8],制得了納米 ZnO及相應的添加劑陶瓷復合粉體。TEM分析結果表明 :陶瓷復合粉體的粒徑均小于 100 nm。通過適當的雜質配比 ,在 1100℃左右燒結 ,可獲得致密的瓷體 ,壓敏電壓可達 480V/ mm左右 ,非線性系數可達52。 

　　雖然納米陶瓷還有許多關鍵技術需要解決 ,但其優良的室溫和高溫力學性能、抗彎強度、斷裂韌性 ,使其在切削刀具、軸承、汽車發動機部件等諸多方面都有廣泛的應用 ,并在許多超高溫、強腐蝕等苛刻的環境下起著其他材料不可替代的作用 ,具有廣闊的應用前景。 

　　2.2　納米技術在微電子學領域的應用 

　　納米電子學是納米技術的重要組成部分 ,其主要思想是基于納米粒子的量子效應來設計并制備納米量子器件 ,它包括納米有序 (無序 )陣列體系、納米微粒與微孔固體組裝體系、納米超結構組裝體系。納米電子學的最終目標是將集成電路進一步減小 ,研制出由單原子或單分子構成的在室溫能使用的各種器件。 

　　目前 ,利用納米電子學已經研制成功各種納米器件。單電子晶體管 ,紅、綠、藍三基色可調諧的納米發光二極管以及利用納米絲、巨磁阻效應制成的超微磁場探測器已經問世。并且 ,具有奇特性能的碳納米管的研制成功 ,為納米電子學的發展起到了關鍵作用。