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发信人: zjliu (秋天的萝卜), 信区: Physics
标  题: 表面效应(转载)
发信站: 哈工大紫丁香 (2003年05月21日22:17:20 星期三), 站内信件

【 以下文字转载自 Lixueyuan 讨论区 】
【 原文由 zjliu 所发表 】
表面效应
    球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面
积（表面积／体积）与直径成反比。随着颗粒直径变小，比表面积将会显著增大，说明
表面原子所占的百分数将会显著地增加。对直径大于 0.1微米的颗粒表面效应可忽略不
计，当尺寸小于 0.1微米时，其表面原子百分数激剧增长，甚至1克超微颗粒表面积的总
和可高达100米2，这时的表面效应将不容忽略。
    超微颗粒的表面与大块物体的表面是十分不同的，若用高倍率电子显微镜对金超微
颗粒（直径为 2*10-3微米）进行电视摄像，实时观察发现这些颗粒没有固定的形态，随
着时间的变化会自动形成各种形状（如立方八面体，十面体，二十面体多李晶等），它
既不同于一般固体，又不同于液体，是一种准固体。在电子显微镜的电子束照射下，表
面原子仿佛进入了“沸腾”状态，尺寸大于10纳米后才看不到这种颗粒结构的不稳定性
，这时微颗粒具有稳定的结构状态。
    超微颗粒的表面具有很高的活性，在空气中金属颗粒会迅速氧化而燃烧。如要防止
自燃，可采用表面包覆或有意识地控制氧化速率，使其缓慢氧化生成一层极薄而致密的
氧化层，确保表面稳定化。利用表面活性，金属超微颗粒可望成为新一代的高效催化剂
和贮气材料以及低熔点材料。
小尺寸效应
    随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质变。由于颗粒尺寸变小所
引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒而言，尺寸变小，同时其比表
面积亦显著增加，从而产生如下一系列新奇的性质。
（1） 特殊的光学性质
    当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，即失去了原有的富贵光泽而呈黑色。事实
上，所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小，颜色愈黑，银白色的铂（白
金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。由此可见，金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可
低于l％，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，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能。此外又有可能应用于红外敏感
元件、红外隐身技术等。
（2） 特殊的热学性质
    固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的，超细微化后却发现其熔点将显著
降低，当颗粒小于10纳米量级时尤为显著。例如，金的常规熔点为1064C℃，当颗粒尺寸
减小到10纳米尺寸时，则降低27℃，2纳米尺寸时的熔点仅为327℃左右；银的常规熔点
为670℃，而超微银颗粒的熔点可低于100℃。因此，超细银粉制成的导电浆料可以进行
低温烧结，此时元件的基片不必采用耐高温的陶瓷材料，甚至可用塑料。采用超细银粉
浆料，可使膜厚均匀，覆盖面积大，既省料又具高质量。日本川崎制铁公司采用0．1～
1微米的铜、镍超微颗粒制成导电浆料可代替钯与银等贵金属。超微颗粒熔点下降的性质
对粉末冶金工业具有一定的吸引力。例如，在钨颗粒中附加0.1％～0.5％重量比的超微
镍颗粒后，可使烧结温度从3000℃降低到1200～1300℃，以致可在较低的温度下烧制成
大功率半导体管的基片。
（3） 特殊的磁学性质
    人们发现鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趋磁细菌等生物体中存在超微
的磁性颗粒，使这类生物在地磁场导航下能辨别方向，具有回归的本领。磁性超微颗粒
实质上是一个生物磁罗盘，生活在水中的趋磁细菌依靠它游向营养丰富的水底。通过电
子显微镜的研究表明，在趋磁细菌体内通常含有直径约为 2′10-2微米的磁性氧化物颗
粒。小尺寸的超微颗粒磁性与大块材料显著的不同，大块的纯铁矫顽力约为 80安／米，
而当颗粒尺寸减小到 2′10-2微米以下时，其矫顽力可增加1千倍，若进一步减小其尺寸
，大约小于 6′10-3微米时，其矫顽力反而降低到零，呈现出超顺磁性。利用磁性超微
颗粒具有高矫顽力的特性，已作成高贮存密度的磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁盘、
磁卡以及磁性钥匙等。利用超顺磁性，人们已将磁性超微颗粒制成用途广泛的磁性液体
。
（4）特殊的力学性质
    陶瓷材料在通常情况下呈脆性，然而由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料却具有
良好的韧性。因为纳米材料具有大的界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力
变形的条件下很容易迁移，因此表现出甚佳的韧性与一定的延展性，使陶瓷材料具有新
奇的力学性质。美国学者报道氟化钙纳米材料在室温下可以大幅度弯曲而不断裂。研究
表明，人的牙齿之所以具有很高的强度，是因为它是由磷酸钙等纳米材料构成的。呈纳
米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬3～5倍。至于金属一陶瓷等复合纳米材料则可在
更大的范围内改变材料的力学性质，其应用前景十分宽广。
    超微颗粒的小尺寸效应还表现在超导电性、介电性能、声学特性以及化学性能等方
面。
宏观量子隧道效应
各种元素的原子具有特定的光谱线，如钠原子具有黄色的光谱线。原子模型与量子力学
已用能级的概念进行了合理的解释，由无数的原子构成固体时，单独原子的能级就并合
成能带，由于电子数目很多，能带中能级的间距很小，因此可以看作是连续的，从能带
理论出发成功地解释了大块金属、半导体、绝缘体之间的联系与区别，对介于原子、分
子与大块固体之间的超微颗粒而言，大块材料中连续的能带将分裂为分立的能级；能级
间的间距随颗粒尺寸减小而增大。当热能、电场能或者磁场能比平均的能级间距还小时
，就会呈现一系列与宏观物体截然不同的反常特性，称之为量子尺寸效应。例如，导电
的金属在超微颗粒时可以变成绝缘体，磁矩的大小和颗粒中电子是奇数还是偶数有关，
比热亦会反常变化，光谱线会产生向短波长方向的移动，这就是量子尺寸效应的宏观表
现。因此，对超微颗粒在低温条件下必须考虑量子效应，原有宏观规律已不再成立。
    电子具有粒子性又具有波动性，因此存在隧道效应。近年来，人们发现一些宏观物
理量，如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦显示出隧道效应，称之为宏
观的量子隧道效应。量子尺寸效应、宏观量子隧道效应将会是未来微电子、光电子器件
的基础，或者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微型
化时必须要考虑上述的量子效应。例如，在制造半导体集成电路时，当电路的尺寸接近
电子波长时，电子就通过隧道效应而溢出器件，使器件无法正常工作，经典电路的极限
尺寸大概在0．25微米。目前研制的量子共振隧穿晶体管就是利用量子效应制成的新一代
器件。



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