3.1.3 量子尺寸效應(yīng)

    量子尺寸效應(yīng)在微電子學(xué)和光電子學(xué)中一直占有顯赫的地位。粒子的尺寸降到一定值時(shí)，費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)由準(zhǔn)連續(xù)能級(jí)變?yōu)榉至⒛芗?jí)，吸收光譜閾值向短波方向移動(dòng)。這種現(xiàn)象稱為量子尺寸效應(yīng)。1993年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室在硒化鎘中發(fā)現(xiàn)，隨著粒子尺寸的減小，發(fā)光的顏色從紅色變成綠色進(jìn)而變成藍(lán)色，有人把這種發(fā)光帶或吸收帶由長(zhǎng)波長(zhǎng)移向短波長(zhǎng)的現(xiàn)象稱為"藍(lán)移"。1963年日本科學(xué)家久保（Kubo）給量子尺寸效應(yīng)下了如下定義；當(dāng)粒子尺寸下降到最低值時(shí)，費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散能級(jí)現(xiàn)象。

3.1.4 宏觀量子隧道效應(yīng)

    微觀粒子具有貫穿勢(shì)壘的能力稱為隧道效應(yīng)。用此概念可定性地解釋超細(xì)鎳微粒在低溫下繼續(xù)保持超順磁性。科學(xué)工作者通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了在低溫下確實(shí)存在磁的宏觀量子隧道效應(yīng)。這一效應(yīng)與量子尺寸效應(yīng)一起，確定了微電子器件進(jìn)一步微型化的極限，也限定了采用磁帶磁盤進(jìn)行信息儲(chǔ)存的最短時(shí)間。

    由于納米粒子有極高的表面能和擴(kuò)散率，粒子間能充分接近，從而范德華力得以充分發(fā)揮，使納米粒子之間、納米粒子與其它粒子之間的相互作用異常強(qiáng)烈。從而使納米材料具有一系列的特殊的光、電、熱、力學(xué)性能和吸附、催化、燒結(jié)等性能。

3.2 納米材料的性能

3.2.1 力學(xué)性能

    高溫、高硬、高強(qiáng)是結(jié)構(gòu)材料開發(fā)的永恒主題，納米結(jié)構(gòu)材料的硬度（或強(qiáng)度）與粒徑成反比（符合Hall-Retch關(guān)系式）。材料晶粒的細(xì)化及高密度界面的存在，必將對(duì)納米材料的力學(xué)性能產(chǎn)生很大的影響。在納米材料中位錯(cuò)密度非常低，位錯(cuò)滑移和增殖采取Frand-Reed模型，其臨界位錯(cuò)圈的直徑比納米晶粒粒徑還要大，增殖后位錯(cuò)塞積的平均間距一般比晶粒大，所以在納米材料中位錯(cuò)的滑移和增殖不會(huì)發(fā)生，此即納米晶強(qiáng)化效應(yīng)。

3.2.2 光學(xué)性能

    納米粒子的粒徑（10～100nm）小于光波的波長(zhǎng)，因此將與入射光產(chǎn)生復(fù)雜的交互作用。金屬在適當(dāng)?shù)恼舭l(fā)沉積條件下，可得到易吸收光的黑色金屬超微粒子，稱為金屬黑，這與金屬在真空鍍膜時(shí)形成的高反射率光澤面成強(qiáng)烈對(duì)比。由于量子尺寸效應(yīng)，納米半導(dǎo)體微粒的吸收光澤普遍存在藍(lán)移現(xiàn)象，納米材料因其光吸收率大的特色，可應(yīng)用于紅外線感測(cè)器材料。此外，TiO2超細(xì)或納米粒子還可用于抗紫外線用品。

    塊狀金屬具有各自的特征顏色，但當(dāng)其晶粒尺寸減小到納米量級(jí)時(shí)，所有金屬便都呈黑色，且粒徑越小，顏色越深，即納米晶粒的吸光能力越強(qiáng)。納米晶粒的吸光過程還受其能級(jí)分離的量子尺寸效應(yīng)和晶粒及其表面上電荷分布的影響。由于納米材料的電子往往凝集成很窄的能帶，因而造成窄的吸收帶。半導(dǎo)體硅是一種間接帶隙半導(dǎo)體材料，通常情況下發(fā)光效率很弱，但當(dāng)硅晶粒尺寸減小到5nm及以下時(shí)，其能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，帶邊向高能帶遷移，觀察到了很強(qiáng)的可見發(fā)射。4nm以下的Ge晶粒也可發(fā)生很強(qiáng)的可見光發(fā)射。

3.2.3 電學(xué)性能

    由于納米材料晶界上原子體積分?jǐn)?shù)增大，納米材料的電阻高于同類粗晶材料，甚至發(fā)生尺寸誘導(dǎo)，金屬向絕緣體轉(zhuǎn)變，在磁場(chǎng)中材料電阻的減小非常明顯。電學(xué)性能發(fā)生奇異的變化，是由于電子在納米材料中的傳輸過程受到空間維度的約束從而呈現(xiàn)出量子限域效應(yīng)。在納米顆粒內(nèi)，或者在一根非常細(xì)的短金屬線內(nèi)，由于顆粒內(nèi)的電子運(yùn)動(dòng)受到限制，電子動(dòng)能或能量被量子化了。結(jié)果表現(xiàn)出當(dāng)金屬顆粒的兩端加上電壓，電壓合適時(shí)，金屬顆粒導(dǎo)電；而電壓不合適時(shí)金屬顆粒不導(dǎo)電。這樣一來，原本在宏觀世界內(nèi)奉為經(jīng)典的歐姆定律在納米世界內(nèi)不再成立了。金屬銀會(huì)失去了典型金屬特征；納米二氧化硅比典型的粗晶二氧化硅的電阻下降了幾個(gè)數(shù)量級(jí)；常態(tài)下電阻較小的金屬到了納米級(jí)電阻會(huì)增大，電阻溫度系數(shù)下降甚至出現(xiàn)負(fù)數(shù)；原來絕緣體的氧化物到了納米級(jí)，電阻卻反而下降，變成了半導(dǎo)體或?qū)щ婓w。納米材料的電學(xué)性能決定于其結(jié)構(gòu)。如隨著納米碳管結(jié)構(gòu)參數(shù)的不同，納米碳管可以是金屬性的、半導(dǎo)體性的。

3.2.4 磁學(xué)性能

    當(dāng)晶粒尺寸減小到納米級(jí)時(shí)，晶粒之間的鐵磁相互作用開始對(duì)材料的宏觀磁性有重要的影響。

納米顆粒由于尺寸超細(xì)，一般為單疇顆粒，其技術(shù)磁化過程由晶粒的磁各向異性和晶粒間的磁相互作用所決定。納米晶粒的磁各向異性與晶粒的形狀、晶體結(jié)構(gòu)、內(nèi)應(yīng)力以及晶粒表面的原子有關(guān)，與粗晶粒材料有著顯著的區(qū)別，表現(xiàn)出明顯的小尺寸效應(yīng)。

3.2.5 熱學(xué)性能

    由于納米材料界面原子排列比較混亂、原子密度低、界面原子耦合作用變?nèi)�，因此納米材料的比熱和膨脹系數(shù)都大于同類粗晶和非晶材料的值。如金屬銀界面熱膨脹系數(shù)是晶內(nèi)熱膨脹系數(shù)的2.1倍；納米鉛的比熱比多晶態(tài)鉛增加25%～50%；納米銅的熱膨脹系數(shù)比普通銅大好幾倍；晶粒尺寸為8nm的納米銅的自擴(kuò)散系數(shù)比普通銅大1019倍。

3.2.6 燒結(jié)性能

    納米材料不同于塊狀材料是由于其表面積相對(duì)增大，也就是超微粒子的表面占據(jù)在部分的結(jié)構(gòu)空間，該結(jié)構(gòu)代表具有高表面能的不安定原子。這類原子極易與外來原子吸附鍵（結(jié)）合，同時(shí)因粒徑細(xì)小而提供大表面的活性原子。

    納米材料中有大量的界面，這些界面為原子提供了短程擴(kuò)散途徑。高的擴(kuò)散率對(duì)蠕變、超塑性等力學(xué)性能有明顯的影響，同時(shí)可以在較低的溫度對(duì)材料進(jìn)行有效的摻雜，也可以在較低的溫度下使不混溶的金屬形成新的合金相；納米材料的高擴(kuò)散率，可使其在較低的溫度下被燒結(jié)。如12nmTiO2在不添加任何燒結(jié)劑的情況下，可以在低于常規(guī)燒結(jié)溫度400～600℃下燒結(jié)；普通鎢粉需在3000℃高溫下才能燒結(jié)，而摻入0.1%～0.5%的納米鎳粉后，燒結(jié)溫度可降到1200～1311℃；納米SiC的燒結(jié)溫度從2000℃降到1300℃。很多研究表明，燒結(jié)溫度降低是納米材料的共性。納米材料中由于每一粒子組成原子少，表面原子處于不安定狀態(tài)，使其表面晶格震動(dòng)的振幅較大，所以具有較高的表面能量，造成超微粒子特有的熱性質(zhì)，也就是造成熔點(diǎn)下降，同時(shí)納米粉末將比傳統(tǒng)粉末容易在較低溫度燒結(jié)，而成為良好的燒結(jié)促進(jìn)材料。

3.2.7 納米陶瓷的超塑性能

    超塑性是指材料在斷裂前能產(chǎn)生很大的伸長(zhǎng)量的性能。這種現(xiàn)象通常發(fā)生在經(jīng)歷中等溫度（≈0.5Tm），中等至較低的應(yīng)變速率條件下的細(xì)晶材料中，主要是由晶界及原子的擴(kuò)散率起作用引起的。一般陶瓷材料屬脆性材料，它們?cè)跀嗔亚暗男巫兟屎苄��？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)，隨著粒徑的減小，納米TiO2和Zn0陶瓷的形變率敏感度明顯提高。納米CaF2和TiO2納米陶瓷在常溫下具有很好的韌性和延展性能。據(jù)國(guó)外資料報(bào)道，納米CaF2和TiO2納米陶瓷在80～180℃內(nèi)可產(chǎn)生100%的塑性變形，且燒結(jié)溫度降低，能在比大晶粒低600℃的溫度下達(dá)到類似于普通陶瓷的硬度。