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纳米材料的特性

美国著名物理学家，1965年诺贝尔物理奖获得者R.PFeynman在1959

年曾经说过：“如果有一天能按人的意志安排一个个原子分子将会产生什么

样的奇迹”，纳米科学技术的诞生将使这个美好的设想成为现实。

纳米材料是纳米科学技术的一个重要的发展方向。纳米材料是指由极细

晶粒组成，特征维度尺寸在纳米量级（1~100nm）的固态材料。由于极细的

晶粒，大量处于晶界和晶粒内缺陷的中心原子以及其本身具有的量子尺寸效

应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应等，纳米材料与同组成的微

米晶体（体相）材料相比，在催化、光学、磁性、力学等方面具有许多奇异的

性能，因而成为材料科学和凝聚态物理领域中的研究热点。

固体材料的光学性质与其内部的微结构，特别是电子态、缺陷态和能级

结构有密切的关系。

纳米结构材料在结构上与常规的晶态和非晶态体系有很大的差别，表现

为：小尺寸、能级离散性显著、表（界）面原子比例高、界面原子排列和键的

组态的无规则性较大等。这些特征导致纳米材料的光学性质出现一些不同于

常规晶态和非晶态的新现象。

1、宽频带强吸收性大块金属具有不同的金属光泽，表明它们对可见光中

的各种波长的光的反射和吸收能力不同。当尺寸减小到纳米级时，各种金属

纳米粒子
几乎都呈黑色，它们对可见光的反射率极低，而吸收率相当高。例如,

Pt纳米粒子的反射率为1%,Au纳米粒子的反射率小于10%。
纳米SiN、SiC以及Al2O3粉等对红外有一个宽频强吸收谱。

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不同温度退火下纳米Al2O3材料的红外吸收谱

纳米材料的红外吸收谱宽化的主要原因：

(1)尺寸分布效应：通常纳米材料的粒径有一定的分布，不同的颗粒的表面

张力有差异，弓I起晶格畸变程度的不同，这就导致纳米材料键长有一

个分布，造成带隙的分布，这是引起红外吸收宽化的原因之一。

(2)界面效应：界面原子的比例非常高，导致不饱和键、悬挂键以及缺陷非

常多，界面原子除与体相原子能级不同外，相互之间也可能不同，从而

导致能级分布的展宽，与常规大块材料不同,没有一个单一的、择优的

键振动模，而存在一个较宽的键振动模的分布，对红外光作用下的红外

光吸收的频率也就存在一个较宽的分布。

须指出，分析具体体系要综合考虑各种因素，不能一概而论。
纳米结构材料红外吸收的微观机制研究还有待深入，实验现象也尚需进一步

系统化。

2、吸收光谱的蓝移现象

纳米颗粒的吸收带通常发生兰移。例如，SiC纳米颗粒的红外吸

收峰为814cm-1,而块体SiC固体为794cm-1。CdS溶胶颗粒的吸收光

谱随着尺寸的减小逐渐蓝移（如下图所示）

CdS溶胶颗粒在不同尺寸下的吸收光谱

谱线1：6nm;谱线2：4nm;

谱线3：2.5nm;谱线4：1nm

吸收光谱兰移的原因：

（1）量子尺寸效应。即颗粒尺寸下降导致能隙变宽，从而导致光吸收带
移向短波方向。Ball等的普适性解释是：已被电子占据的分子轨道能级

（HOMO）与未被电子占据的分子轨道能级之间的宽度（能隙）随颗粒直径的

减小而增大，从而导致兰移现象。这种解释对半导体和绝缘体均适用。

（2）表面效应。纳米颗粒的大的表面张力使晶格畸变，晶格常数变

小。对纳米氧化物和氮化物的研究表明，第一近邻和第二近邻的距离变短，

键长的缩短导致纳米颗粒的键本征振动频率增大，结果使红外吸收带移向高

波数。

3、吸收光谱的红移现象引起红移的因素很多，也很复杂，归纳起来有：

1）电子限域在小体积中运动；2）粒径减小，内应力（P=2Yr,r为半径，丫

为表面能）增加，导致电子波函数重叠；3）存在附加能级，如缺陷能级，使

电子跃迁能级间距减小；4）外加压力使能隙减小；5）空位、杂质的存在

使平均原子间距R增大，导致能级间距变小。

有时候，当粒径减小至纳米级时，会观察到光吸收带相对粗晶材料的

“红移”现象。例如，在200－1400nm范围，块体NiO单晶有八个吸收带，

而在粒径为54-84nm的NiO材料中，有4个吸收带发生兰移，有3个吸收带

发生红移，有一个峰未出现。

通常认为，红移和兰移两种因素共同发挥作用，结果视孰强而定。随着

粒径的减小，量子尺寸效应导致兰移；而颗粒内部的内应力的增加会导致能

带结构变化。电子波函数重叠加大，结果带隙、能级间距变窄，从而引起红

移。
4、激子吸收带-量子限域效应

激子的概念首先是由Frenkel在理论上提出来的。当入射光的能量小于

禁带宽度（3<Eg）时，不能直接产生自由的电子和空穴，而有可能形成未完

全分离的具有一定键能的电子-空穴对，称为激子。

作为电中性的准粒子，激子是由电子和空穴