3.1.3 量子尺寸效應

    量子尺寸效應在微電子學和光電子學中一直占有顯赫的地位。粒子的尺寸降到一定值時，費米能級附近的電子能級由準連續(xù)能級變?yōu)榉至⒛芗�，吸收光譜閾值向短波方向移動。這種現(xiàn)象稱為量子尺寸效應。1993年，美國貝爾實驗室在硒化鎘中發(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而變成藍色，有人把這種發(fā)光帶或吸收帶由長波長移向短波長的現(xiàn)象稱為"藍移"。1963年日本科學家久保（Kubo）給量子尺寸效應下了如下定義；當粒子尺寸下降到最低值時，費米能級附近的電子能級由準連續(xù)變?yōu)殡x散能級現(xiàn)象。

3.1.4 宏觀量子隧道效應

    微觀粒子具有貫穿勢壘的能力稱為隧道效應。用此概念可定性地解釋超細鎳微粒在低溫下繼續(xù)保持超順磁性�？茖W工作者通過實驗證實了在低溫下確實存在磁的宏觀量子隧道效應。這一效應與量子尺寸效應一起，確定了微電子器件進一步微型化的極限，也限定了采用磁帶磁盤進行信息儲存的最短時間。

    由于納米粒子有極高的表面能和擴散率，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烈。從而使納米材料具有一系列的特殊的光、電、熱、力學性能和吸附、催化、燒結等性能。

3.2 納米材料的性能

3.2.1 力學性能

    高溫、高硬、高強是結構材料開發(fā)的永恒主題，納米結構材料的硬度（或強度）與粒徑成反比（符合Hall-Retch關系式）。材料晶粒的細化及高密度界面的存在，必將對納米材料的力學性能產(chǎn)生很大的影響。在納米材料中位錯密度非常低，位錯滑移和增殖采取Frand-Reed模型，其臨界位錯圈的直徑比納米晶粒粒徑還要大，增殖后位錯塞積的平均間距一般比晶粒大，所以在納米材料中位錯的滑移和增殖不會發(fā)生，此即納米晶強化效應。

3.2.2 光學性能

    納米粒子的粒徑（10～100nm）小于光波的波長，因此將與入射光產(chǎn)生復雜的交互作用。金屬在適當?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形成的高反射率光澤面成強烈對比。由于量子尺寸效應，納米半導體微粒的吸收光澤普遍存在藍移現(xiàn)象，納米材料因其光吸收率大的特色，可應用于紅外線感測器材料。此外，TiO2超細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，但當其晶粒尺寸減小到納米量級時，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。納米晶粒的吸光過程還受其能級分離的量子尺寸效應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。半導體硅是一種間接帶隙半導體材料，通常情況下發(fā)光效率很弱，但當硅晶粒尺寸減小到5nm及以下時，其能帶結構發(fā)生了變化，帶邊向高能帶遷移，觀察到了很強的可見發(fā)射。4nm以下的Ge晶粒也可發(fā)生很強的可見光發(fā)射。

3.2.3 電學性能

    由于納米材料晶界上原子體積分數(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，金屬向絕緣體轉變，在磁場中材料電阻的減小非常明顯。電學性能發(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。在納米顆粒內(nèi)，或者在一根非常細的短金屬線內(nèi)，由于顆粒內(nèi)的電子運動受到限制，電子動能或能量被量子化了。結果表現(xiàn)出當金屬顆粒的兩端加上電壓，電壓合適時，金屬顆粒導電；而電壓不合適時金屬顆粒不導電。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數(shù)量級；常態(tài)下電阻較小的金屬到了納米級電阻會增大，電阻溫度系數(shù)下降甚至出現(xiàn)負數(shù)；原來絕緣體的氧化物到了納米級，電阻卻反而下降，變成了半導體或?qū)щ婓w。納米材料的電學性能決定于其結構。如隨著納米碳管結構參數(shù)的不同，納米碳管可以是金屬性的、半導體性的。

3.2.4 磁學性能

    當晶粒尺寸減小到納米級時，晶粒之間的鐵磁相互作用開始對材料的宏觀磁性有重要的影響。

納米顆粒由于尺寸超細，一般為單疇顆粒，其技術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、晶體結構、內(nèi)應力以及晶粒表面的原子有關，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。

3.2.5 熱學性能

    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的納米銅的自擴散系數(shù)比普通銅大1019倍。

3.2.6 燒結性能

    納米材料不同于塊狀材料是由于其表面積相對增大，也就是超微粒子的表面占據(jù)在部分的結構空間，該結構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）合，同時因粒徑細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散途徑。高的擴散率對蠕變、超塑性等力學性能有明顯的影響，同時可以在較低的溫度對材料進行有效的摻雜，也可以在較低的溫度下使不混溶的金屬形成新的合金相；納米材料的高擴散率，可使其在較低的溫度下被燒結。如12nmTiO2在不添加任何燒結劑的情況下，可以在低于常規(guī)燒結溫度400～600℃下燒結；普通鎢粉需在3000℃高溫下才能燒結，而摻入0.1%～0.5%的納米鎳粉后，燒結溫度可降到1200～1311℃；納米SiC的燒結溫度從2000℃降到1300℃。很多研究表明，燒結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)，也就是造成熔點下降，同時納米粉末將比傳統(tǒng)粉末容易在較低溫度燒結，而成為良好的燒結促進材料。

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），中等至較低的應變速率條件下的細晶材料中，主要是由晶界及原子的擴散率起作用引起的。一般陶瓷材料屬脆性材料，它們在斷裂前的形變率很小�？茖W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)國外資料報道，納米CaF2和TiO2納米陶瓷在80～180℃內(nèi)可產(chǎn)生100%的塑性變形，且燒結溫度降低，能在比大晶粒低600℃的溫度下達到類似于普通陶瓷的硬度。