考虑通孔效应和边缘传热效应的纳米级互连线温度分布模型_朱樟明

考虑通孔效应和边缘传热效应的

纳米级互连线温度分布模型

*

朱樟明

郝报田 钱利波 钟 波 杨银堂

(西安电子科技大学微电子研究所,西安 710071)(2009年4月5日收到;2009年6月9日收到修改稿)

提出了同时考虑通孔效应和边缘传热效应的互连线温度分布模型,获得了适用于单层互连线和多层互连线温度分布的解析模型,并基于65nm 互补金属氧化物半导体(C MOS)工艺参数计算了不同长度单层互连线和多层互连线的温度分布.对于单层互连线,考虑通孔效应后中低层互连线的温升非常低,而全局互连线几乎不受通孔效应的影响,温升仍然很高.对于多层互连线,最上层互连线的温升最高,温升和互连介质层厚度近似成正比,而且互连介质材料热导率越低,温升越高.所提出的互连线温度分布模型,能应用于纳米级C MOS 计算机辅助设计.

关键词:通孔效应,边缘传热效应,纳米级互连线,温度分布模型PACC :6630Q,6185,8160C

*国家自然科学基金(批准号:60725415,60676009,60776034)、国家高技术研究发展计划(批准号:2009AA01Z258,2009A A01Z260)和西安AM 创新基金(批准号:X A -AM -200814)资助的课题. E -mail:z myh@https://www.wendangku.net/doc/8d17809356.html,

1 引言

随着硅互补金属氧化物半导体(CMOS)集成电路发展到纳米级C MOS 阶段,超大规模集成电路(VLSI)的频率和集成度不断提高,片上互连的延迟、功耗和信号完整性已经成为影响集成电路性能和可靠性的决定性因素之一.虽然单个纳米级集成器件的功耗及其产生的热量不断降低,但是单位面积的功耗和单位面积产生的热量却随着集成度和工作频率的提高而迅速增加,从而导致芯片内部温度的持续上升[1]

.特别是全局互连线,由于远离衬底,自身功耗所产生的热不能迅速有效地散出芯片,造成全局互连线温度的急剧上升,严重影响了片上互连的

延迟、功耗和信号完整性[2 16]

.

在纳米级C MOS 工艺中,为了减小互连线的串扰和延时,介质层普遍采用低介电常数(低K )材料,而不是传统的二氧化硅.通常低K 材料具有更差的导热性,进一步恶化了纳米级C MOS 工艺互连线的热环境

[2].互连线温度的升高不仅会导致电迁移等

可靠性隐患,还会增加互连线的电阻,从而增大信号

传输延时和串扰[3]

.文献[4]指出,对于全局互连线,

温度每上升20 Elmore 延时将增加5% 6%,所以十分有必要对纳米级互连线的温度分布进行

研究[7 16]

.

针对衬底热效应对VLSI 互连线的影响,文献[4]基于一维温度分布提出了互连线温度分布的数值解析模型,应用此模型可以方便地对互连线上的温度分布进行分析,但是该模型只适用于深亚微米C MOS 工艺中的顶层互连线.文献[3]提出了一种集总式互连线电热解析模型,该模型通过数值分析或模拟测试的方法得到衬底温度,然后以此作为边界条件推导出互连线的温度分布.文献[3]所提出的模型允许设计者估计互连线的温升,计算衬底上不同互连路径有效的信号传播延时,但是计算衬底温度分布却十分耗时,所以对集成电路设计来讲并不合适.

本文首先对互连线的热源和热沉进行分析,提出了一种同时考虑通孔效应和边缘传热效应的单层互连线温度分布模型,并基于65nm C MOS 工艺参数计算了不同长度单层互连线的温度分布.其次建立了考虑通孔效应的纳米级多层互连线的温度分布模

第58卷第10期2009年10月1000-3290 2009 58(10) 7130-06

物 理 学 报

AC TA PHYSIC Vol.58,No.10,October,2009

型,比较了通孔的间隔长度对温度分布的影响,计算分析了考虑通孔效应的多层互连线温度分布与介质层厚度、介质层材料热导率的关系.

2 互连线的热源和热沉

图1为平铺在衬底上的一条互连线,通过两端

的通孔连接到衬底或下层互连线.其中t 表示金属互连线的厚度,l 为互连线的长度,d 为互连线的间距,w 表示金属互连线的宽度,t ins 表示互连线介质层的厚度.其主要的热源包括互连线自身功耗所产生的热P g 和上层互连线通过介质层向下扩散的热P i ,P i 可以用附加的均方根电流密度 J r ms,i 等效

.

图1 互连线结构示意图

通孔的温升并不像互连线那样高,而且通孔因为太短而不能产生足够的热[6]

.另外,并不是所有的通孔同时都有电流流入,而它们却同时向下散热[16]

,所以和文献[4 6,16]采用的假设相同,本文

合理地把通孔当作有效的热沉[16]

,从而可以忽略通孔的尺寸对互连线温度分布的影响.此外,互连线通过介质层向下扩散的热量也是热沉的另一个重要组成部分.所以互连线上散失的热量主要由两部分组成:互连层间或互连层-衬底间的热扩散(P l )以及通过通孔传递的热(P v ).

当芯片工作在稳态时,上层互连线产生的所有热量首先扩散到当前互连层,然后再扩散到低层互连层,最终通过衬底散出芯片.传递到第i 层互连线的热量可以用下式来表示

Q i =L i w m ,i

n

j =i +1

J 2

r ms,j t m,j j w m,j w m,j +d j ,(1)其中L i ,J rms,j 和d j 分别表示第j 层互连线的长度、均方根电流密度和间距,n 表示集成电路金属互连线的层数,纳米级C MOS 工艺中n 的典型值为8 9;t m,j 表示第j

层金属互连线的厚度,w m,j 表示第j 层金属互连线的宽度.

根据 J rms,i 的定义,可以得到如下方程:

Q i =

J rms,i + J r ms,i

2

-J 2

rms,i

i L i w m,i t m,i ,

(2)

由(2)式可以得到 J r ms,i 的表达式如下:

J rms,i

= Q i i L i w m,i t m,i

+J 2rms,i

1

2

-J rms,i ,

(3)

从而可以用附加电流密度 J r ms,i 来表征上层互连层向下扩散的热P i .对于图1中所示的互连线,单位长度 x 内由于自身功耗所产生的热P g 可以用下式来表示[4]

:

P g (x )=I 2

r ms,i R E (x ),

(4)

其中I r ms,i 为流过互连线的均方根电流,它等于均方根电流密度和互连线截面积的乘积.互连线电阻与其温度呈线性关系,可以用下式来表示:

R E (x )=R 0(1+ T (x )),

(5)

其中R 0是参考温度下互连线的单位长度电阻, 是电阻的温度系数(1 ),T (x )则是互连线沿长度方向在x 位置处的温度.互连线单位长度的初始电阻可以表示为

R 0(x )=

(x )

w m,i t m,i

,

(6)

其中 是参考温度下互连线金属的电阻率,t m,i 表示互连线厚度,w m,i 表示互连线宽度.所以单位长度内由互连层间热扩散所损失的热量为

P l (x )=T i (x )-T i -1(x )

R T (x ),

(7) R T (x )=

t ins,i

k

*in s,i

w m,i x

,

(8)

其中P l (x )是互连线经介质层流向下层的热量,T i 表示互连线上的温度,T i -1表示衬底或者下层金属互连层的温度, R T 则是介质层热电阻,k *

ins,i 是介质层的有效热导率.文献[7]给出了深亚微米C MOS 工艺的k

*

ins 表达式,该表达式同样适用于纳米级C MOS 工艺.

k *

ins,i =k ins t ins,i w m,i

1 685

log 1+

t in s,i

w m,i

-0 59

t ins,i w m,i

-0 078

.(9)

文献[8]的作者以(9)式计算有效热导率,并发现对于长方体互连线由该式计算得到的热导率已经足够精确.因为通孔表现为有效的热沉,从通孔向下传递的热量对中等、局部互连线的温升影响比较大,所以

7131

10期朱樟明等:考虑通孔效应和边缘传热效应的纳米级互连线温度分布模型

需要对这部分热量分析量化.文献[4]以T i (x )x =0

=T avg,i 和T i (x )

x =L

i

=T avg,i 作为边界条件获得了沿

互连线长度方向的温度分布模型,其表达式为

T i (x )=T avg,i -1+ i

2

i

1-sinh i x +sinh i (L i -x )

sinh i L

, (10)

2

i

=1k m k *

in s,i t m,i t ins,i -I 2

r ms,eff,i w 2m,i t 2m,i ,

(11) i =I 2

rms,i w 2m,i t 2

m,i k m

,(12)

其中k m 表示互连线金属材料的热导率,对于固定的C MOS 工艺互连层, i 和 i 一般为常数.T avg,i -1则表示第i -1层互连线的平均温度,其值可由下式来计算:

T avg,i -1=

1L i -1

L

i -1

T

i -1

(x )d x .(13)

很明显 i 2

i 是忽略通孔效应时互连线的温升.

本文定义 T i (x )=T i (x )-T avg,i -1为第i 层互连线在x 处和第i -1层互连线的温差.从通孔散出去的热量应该由两部分组成:温差为 i 2

i 和 T i (x )时互连线间通过电介质扩散的热量差Q v i ,1,以及温差从 T i (x )上升到 i 2

i 时互连材料吸收的热量Q v i ,2.通过对互连线长度进行积分可以得到Q v i ,1的表达式为

Q v i ,1=

L

i

i

2i

- T i (x ) R T ,i (x )

d x .

(14)

被积分的部分表示在x 处,单位长度互连线对应不同温升时的热扩散能量之差.同样可以通过积分来

得到互连线温度升高所需的热量Q v i ,2,其表达式如下:

Q v i ,2=

L

i

c p m w m,i t m,i

i

2i

- T i (x )d x ,(15)其中被积分的部分表示在x 处,温差从 T i (x )升高到 i 2

i

时单位长度互连线所吸收的热量, m 表示互连线材料的密度(kg m 3

),c p 表示互连线材料的比热容.

3 单层纳米级互连线的温度分布模型

在三维(3D)空间(x ,y ,z )中,任何材料的热扩

散方程可以写为

x k T x + y k T

y + z k T z +Q *= c p T t

,(16)

其中T 表示空间中任意坐标的温度,是时间和位置

的函数;k 表示固体材料的热导率,是温度的函数;c p 表示结构材料的比热容;Q *

表示单位体积内所产生的热(W m 3

); 则是固体材料的密度(kg m 3

).

尽管热导率一般是温度和位置的函数,但是导体的热导率变化范围极小,所以在VLSI 的分析中经常假设热导率为一常数.由于芯片的侧面和顶部没有和散热的封装金属基板相连,所以可以合理地假设没有热量从芯片侧面和顶部扩散到外部环境,这意味着互连线只能通过芯片底部的衬底和外界交换热量,而衬底通过封装材料连接到外部的热沉.基于这些合理假设,系统的稳态热扩散方程可以简化为

k 2

T x 2+ 2

T y 2+ 2

T z 2+Q *eff =0,(17)其中Q *

eff 表示单位体积内有效的热量产生速率,它同时包含了从衬底扩散到外界的热量.

金属铝或铜的热导率远远大于空气或二氧化硅(空气、二氧化硅的热导率k m 为0 027,1 04W m ,硅、铝、铜的热导率k m 为140,204,386W m ),所以可以假设热量只沿着互连线长度方向扩散,而忽略热量的对流和辐射,从而(17)式

可以简化为

d 2

T d x

2=-Q *

eff k m .(18)

为了推导出单位体积内有效的热量产生率Q *

eff ,需要针对如图1所示的单层互连线进行温度分布建模.对于单层互连线,不存在上层金属互连层向下扩散热量,所以附加电流密度 J r ms,i =0,单位体积内的热量产生率可以写为

Q *

eff,i =

P g,i -P l,i w m,i t m,i x -Q v i ,1+Q v i ,2

w m,i t m,i L i

,

(19)

其中等式右边第二项表示单位体积内由于通孔效应所散失的平均热量,它是对通孔效应的一种近似但

合理的处理.使用如(18)式所示的简化的热扩散方程,单层互连线的热扩散方程可以表示为

d 2

T i (x )d x

2= 2i T i (x )- 2i T avg,i -1- *

i ,(20)

7132

物 理 学 报

58卷

*i= i1-2cosh i L i-1

3i L i k m sinh i L i

k *

in s,i

t*ins,i t m,i

+c p m.(21)

结合温度的初始条件T i(x)x=0,L

i

=T avg,i,单层互连线沿长度方向的温度分布可以表示为

T i(x)=T avg,i-1+ *i 2i

1-sinh i x+sinh i L i-x

sinh i L

. (22) (22)式已考虑了通孔效应和边缘热扩散效应,可以用来计算全局、中等和局部单层互连线的温度分布.因为(22)式所代表的解析模型理论更加缜密,所以与(10)式[4]相比,它的应用范围更广而精度更高,同时仍维持了其简洁的优点.

表1为B PTM[13]65nm C MOS工艺互连参数,其中局部互连线、中等互连线和全局互连线分别设为3层,共9层互连线,互连介质层高度为200nm,介质材料Orion的热导率为0 16W m ,相对介电常数 为2 2.

表1 65nm CMOS工艺互连线参数

互连线宽度 nm间距 nm厚度 nm介质高度 nm介质 局部互连线1001002002002 2中等互连线1401403502002 2全局互连线45045012002002 2 基于表1所示的65nm C MOS工艺互连参数,并对互连线赋予允许的最大均方根电流密度1 72 106A cm2[1],采用考虑通孔效应和边缘热扩散效应的互连线温度分布解析模型,本文对不同层次不同长度互连线的温度分布进行了计算,计算结果如图2所示,其横坐标已经对长度L进行了归一化.由图2可知,考虑通孔效应后中低层互连线的温升非常低,温度条件并不是很恶劣.对于互连长度超过2000 m

的单层单根全局互连线,即使考虑通孔效应,温升仍能达到4 7 ,温度环境比较恶劣,此时温度是必须要考虑的问题.

4 多层纳米级互连线的温度分布模型

对于多层互连线,互连线的自热效应产生的热量只能通过连接到热沉的硅衬底扩散到外部环境,因此上层互连线产生的热必须首先扩散到当前互连

图2 不同长度互连线的温度分布

层,然后再扩散到下层直到衬底.对于多层互连线,需要用有效均方根电流I rms,eff,i来代替均方根电流I rms,i,

I r ms,eff,i=I rms,i+ J rms,i w m,i t m,i,(23)结合(13),(22)和(23)式,可以获得第i层互连线的平均温度

T avg,i=T avg,i

-1+

*i

2eff,i1-

tanh

eff,i L i

2

eff,i L i

2

,(24)

2eff,i=1

k m

k*ins

t m,i t ins

-

I2r ms,eff,i i

w2m,i t2m,i

.(25)

图3 多层互连线的温度分布

本文定义 T avg,i=T avg,i-T avg,i-1为第i层金属相对第i-1层金属的平均温升.对于具有n层互连线的VLSI来说,其顶层的温升等于各层温升的加和,从而获得一个可用来计算多层互连线温升的解析模型,如下式所示:

T n=T avg,n-T su bstate= n i=1 T avg,i

= n i=1 *i 2eff,i1-

tanh

eff,i L i

2

eff,i L i

2

,(26)

7133

10期朱樟明等:考虑通孔效应和边缘传热效应的纳米级互连线温度分布模型

其中I rms,eff,i 包含在 eff,i 中,而I r ms,eff,i 意味着第i 层到最顶层所有互连线产生的热的累加,这说明会有更多的热量从低层互连线层流出

.

图4

多层互连线温度分布和介质层厚度的关系

图5 多层互连线温度分布和介质材料热导率的关系

实际VLSI 中底部互连线的通孔十分密集,如果忽略这些通孔的存在,那么计算得到的低层互连线的温升势必较大,这会引起不可接受的误差.为了说明通孔效应的重要性,基于表1所示的BPTM 65nm

CMOS 9层互连线工艺参数,本文假设了合理的通孔

间隔距离(假设从第一层到第九层通孔间隔分别选为2,10,20,50,100,200,500,1000和2000 m),并对所有互连线赋予允许的最大均方根电流密度1 72

106A c m 2[1],然后基于上文的模型计算了多层互连线的温度分布,结果如图3所示.

由图3可以发现第9层互连线(最上层互连线)的温度最高.考虑通孔效应后互连层温度明显降低了很多,忽略通孔效应将会在中间层和低层引起较大的温度误差.与文献[4]相比,本文所提出模型更加接近实际情况.图4给出了对应于不同介质层厚度时互连线温度的变化,介质层越厚,温升越大.图5则是对应于不同介质层热导率时互连层温度的分布,介质材料热导率越低,温升越快.低层互连层的温升可以忽略不计,而中间层和高层互连线则造成了绝大部分的温升,且顶层互连线的温度随热导率的下降急剧升高,和热导率近似成反比的关系,所以互连线自热效应热将进一步恶化互连线的互连延时.

5 结论

本文提出了同时考虑通孔效应和边缘传热效应的互连线温度分布模型,获得了适用于单层互连线

和多层互连线温度分布的解析模型,并基于65nm C MOS 工艺参数计算了不同长度单层互连线的温度分布,分析了多层互连线温度分布与介质层厚度、介质层材料热导率的关系.由于考虑了边缘传热效应以及通孔效应,本文所提出的温度分布模型更接近于实际温度分布,对纳米级C MOS 集成电路设计、优化有着重要的指导作用.

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物 理 学 报58卷

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2001p165

A compact interconnect temperature distribution model considering the via effect and the heat fringing effect *

Zhu Zhang -M ing Hao Bao -Tian Qian L-i Bo Zhong Bo Yang Yin -Tang

(Institu te o f Microe lect ronic s ,Xi dian U n iversity ,Xi a n 710071,Chin a )(Received 5Ap ril 2009;revised manusc rip t received 9Ju ne 2009)

Abstract

Considering the via effec t and the heat fringing e ffec t simultaneously,we proposed a compact interconnec t te mperature distribution model that can be applied for single interconnect and multile vel interconnects.Based on the 65nm c omplementary meta -l o xide semiconcluctor (CMOS)interconnec t and ma terial parameter,the temperature distribution of multilevel inte rconnects and single interconnect with different lengths was calc ulated.The results sho w that the temperature rise of global interconnect is still large when the via effec t is c onsidered,while the te mperature rise of intermediate line and local line is quite small.For multilevel interconnec ts,the tempe ra ture rise in the uppermost layer inte rconnect is the large st.The temperature rise is appro ximately proportional to the thickness of insulator,and will rise higher if the ther mal conductivi ty of dielec tric materials becomes smalle r.The proposed interc onnect temperature distribution model can be used in nanome ter CMOS c omputer -aided design.

Keywords :via e ffec t,heat fringing effect,nanomete r inte rconnect line,te mperature distribution model PACC :6630Q,6185,8160C

*Project supported by the National Natural Science Foundati on of China (Grant Nos.60725415,60676009,60776034),the National High Technology Research and Development Progra m of China (Grant Nos.2009A A01Z258,2009AA01Z260),and the Xi an -AM Innovation Foundation,China (Grant No.XA -AM -200814). E -mail:z myh@https://www.wendangku.net/doc/8d17809356.html,

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10期

朱樟明等:考虑通孔效应和边缘传热效应的纳米级互连线温度分布模型

汇率变动对价格的传导机制探析

科技经济市场 在全球经济一体化程度不断加深的背景下，汇率作为一国货币相对于另一国货币的价格，其变动首先会引起一国进出口商品定价和国内物价水平的变动，进而通过支出转换效应对贸易收支和其他宏观经济变量产生重要影响。因此，汇率是经济生活中备受关注的一个经济变量，随着金融全球化和我国社会主义市场经济体制的不断完善以及汇率市场化改革进程的加快，汇率对我国经济的影响越来越大，已经成为反映宏观经济形势的一个重要经济指标。本文通过对国内外相关研究进行梳理的基础上，详细阐述汇率传导的含义和传导机制，以揭示汇率-价格机制运行的内在关系。 1汇率传导的含义 汇率价格传导也称为汇率的传递弹性（exchange rate pass-through elasticity），是指汇率变动所带来的与之相关价格因素的变动。汇率价格传导是理解汇率与实体经济之间相互关系的决定性因素，是描述汇率与价格关系的主要形式，即汇率变动引起的价格水平改变的程度。许多学者基于不同的研究视角对汇率传递给出了不同的概念界定。一些学者主要从汇率变动对进口价格变动的效应来定义汇率传递。比较有代表性的定义如下：Ohno（1989）认为“传递概念是指汇率变动反应在进口价格上变化的程度”。根据M ann和Hooper（1989）的定义，狭义的外汇价格传导是指进口价格对名义汇率波动的变动率，即汇率波动所引起的进口价格的变动。广义的汇率价格传递是指因汇率波动而对国内价格产生的多因素、多层次的影响。近年来，随着开放经济宏观经济学的发展，一些学者对汇率传递的界定给予更为丰富的涵义，把汇率传递效应从进口价格扩展到出口价格和国内一般物价水平，如M enon（1995）、M cCarthy（2000）等把汇率传递定义为“国内价格水平对汇率变动的反应程度”。因此，一般来讲，可以将汇率传递定义为按照目的地货币表示的贸易商品价格对汇率变动的反应程度。 2汇率对价格的传递机制 汇率价格传导机制是指名义汇率波动引起价格水平变化的渠道和路径。汇率变动对一国国内价格水平有重要影响，而且其对于不同的价格指标的影响效果和影响机制是不同的。Goldberg 和Knetter（1997）将汇率价格传导机制分为直接传导机制和间接传导机制。直接传导机制是指汇率的波动对于进口品价格的直接影响作用；间接传导机制是指汇率变动对于国内其他价格的间接影响，如工业品出厂指数、消费价格指数等。其传递路径如图1所示。 图1人民币汇率对国内物价水平的传递路径 2.1直接传导机制 汇率变动会引起不同国间商品价格的相对变动，其最直接影响到的是进口商品价格，然后通过进口商品价格变动对国内生产者价格指数和消费者价格指数产生影响。 首先，由于进口商品中包含了消费品，汇率通过影响进口商品中的消费品的价格进而影响消费者价格。汇率变动对进口消费品的影响是最直接的,在完全竞争的市场条件下,汇率变化对进口消费品的影响将是完全的,但由于市场不完全、配送成本等因素的存在,汇率对进口消费品的传递是不完全的,一国进出 汇率变动对价格的传导机制探析 李文星 （华侨大学经济与金融学院，福建泉州362332） 摘要：汇率价格传导，即汇率变动所带来的与之相关价格因素的变动。汇率传递效应不仅影响国内总需求与总供给的均衡,而且还会影响国内货币政策实施的有效性。汇率传导效果是否完全,对货币政策的有效性以及汇率的波动性等方面有着重要的政策含义。本文主要介绍了汇率影响物价的传导机制。 关键词：汇率传递；价格；传导机制 作者简介：李文星（1981-），男，福建南安人，华侨大学经济与金融学院数量经济学专业博士研究生。 经济研究 趨趷 2011年第3期

纳米流体池沸腾传热特性研究

纳米流体池沸腾传热特性研究 随着现代工业的蓬勃发展,高热流密度换热设备的高效冷却问题倍受关注。这一问题亟须解决,大大推动了纳米流体沸腾传热这一领域的发展,很多国内外 学者都对此展开了相关研究,目前已有部分成果得以实际应用。 本文对不同重力环境下水基γ-Al2O3纳米流体的传热特性进行了实验研究。本文成功搭建了纳米流体配制台和纳米流体池沸腾实验系统,并对实验系统的可靠性和重复性进行了验证。 本文在直径分别为0.03mm和0.05mm的铂丝上进行了常重力和过载下的池沸腾传热特性实验研究。实验研究的主要目的是获得池沸腾传热特性规律以及分析纳米颗粒浓度、分散剂浓度、铂丝直径及过载这些因素对传热特性的影响。 实验中铂丝的合过载范围为0–3.0g,压力为1bar,纳米颗粒浓度为0– 0.01wt%,分散剂SDBS的浓度为0–0.5wt%。根据常重下获得的实验数据,对纳米颗粒浓度、分散剂浓度和铂丝直径对纳米流体池沸腾传热特性的影响规律进行了分析。 实验结果表明沸腾传热系数随着纳米颗粒浓度的增加先得到强化然后恶化,而CHF随着浓度的增加持续增加;分散剂的添加会在加热丝表面形成烧结层,恶 化了CHF,且随着浓度的增加而恶化程度增加;小尺寸0.03mm铂丝在低热流密度 区的传热系数要高于0.05mm的铂丝,而在高热流密度得到相反的结论,这与气泡的扰动特性有关。本文进行了过载下纳米流体的沸腾传热实验研究,实验结果表明,过载对纳米流体的传热特性有一定的影响,不同浓度的纳米流体在相同过载 下的CHF得到类似于常重的传热特性,但降低了纳米流体的最佳浓度;同一浓度 纳米流体的传热系数和CHF随着过载增加的的变化规律得到不一致的结论,仍需

纳米材料物理

纳米材料的基本效应 纳米材料的特殊性能是由于纳米材料的特殊结构，使之产生四大效应，即尺寸效应(量子尺寸效应、小尺寸效应)/表(界)面效应/量子效应(宏观量子隧道效应、库仑堵塞与量子隧穿)/介电限域效应,从而具有传统材料所不具备的物理、化学性能。 宏观尺度的金属材料在高温条件下，其能带可以看作是连续的。 (久保理论) 对于纳米金属颗粒来说，低温下能带的离散性会凸现出来。相邻电子能级之间的间隔d将随颗粒体积V的减小而增加。量子尺寸效应:当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象；纳米半导体颗粒存在不连续的最高被占据分子轨道（HOMO）和最低未被占据分子轨道能级（LUMO），能隙变宽的现象，均称为量子尺寸效应。 能带理论表明，金属费米能级附近电子能级一般是连续的，这一点只有在高温或宏观尺寸情况下才成立。对于只有有限个导电电子的超微粒子来说，低温下能级是离散的，对于宏观物体包含无限个原子(即导电电子数N→∞)，由久保公式可得能级间距d→0，即对大粒子或宏观物体能级间距几乎为零；而对纳米微粒，所包含原子数有限，N值很小，这就导致d有一定的值，即能级间距发生分裂。当能级间距大于热能、磁能、静磁能、静电能、光子能量或超导态的凝聚能时，必须要考虑量子尺寸效应，这会导致纳米微粒磁、光、声、热、电以及超导电性与宏观特性有着显著的不同。

Ag的电子数密度n = 6 × 1022/cm3，由公式 当T=1K时，能级最小间距d/kB=1，代入上式，求得d=20nm。根据久保理论，当d＞kB时才会产生能级分裂，出现量子尺寸效应.由此得出，当粒径d＜20nm，Ag纳米微粒变为 非金属绝缘体，如果温度高于1K，则要求d << 20nm才有可能变为绝缘体。这里应当指出，实际情况下金属变为绝缘体除了满足d＞kB外，还需满足电子寿命>h/d的条件。实验表明，纳米Ag的确具有很高的电阻，类似于绝缘体，这就是说，纳米Ag满足上述两个条件。 Shift to higher energy in smaller size Discrete structure of spectra Increased absorption intensity

纳米流体及纳米表面的管内对流强化传热

纳米流体及纳米表面的管内对流强化传热 宏观尺度强化传热技术的发展已达到一定高度,并接近饱和；微米／纳米尺度的新技术、新材料、新方法能够提供宏观尺度下难以实现的优势,已经成为强化传热学科纵深发展的新动力。本文的研究目的是,通过采用微米／纳米尺度的强化传热技术,对管内单相对流换热及流动沸腾换热的基本物理现象及其强化机理有更深入的理解,以为新型微纳结构强化技术的开发提供数据支持与理论指导。 本文的基本内容是以纳米流体的单相对流换热为出发点,探究纳米流体与传热界面的相互作用,基于纳米流体对传热表面的改造机理,将研究扩展到纳米表 面的微细通道流动沸腾换热。本文首先对纳米流体和微纳结构工程表面的研究现状作了详尽的综述和分析,从中发现若干主题亟待研究：纳米流体的混合对流、一步法纳米流体对流换热、活性剂对换热的影响、纳米工程表面运用于微细通道沸腾传热。 对于纳米流体在大管径横管内的混合对流,本文系统地研究了二氧化硅纳米颗粒原生粒径、颗粒体积浓度、基液粘度和普朗特数等参数对于管内层流混合对流换热的影响,纳米流体混合对流换热相对于基液出现了恶化,采用混合对流判 别数和均相模型统一解释了纳米流体的混合对流传热特性。采用一步湿化学法制备了较大量稳定的二氧化硅纳米流体,在细通道内分别就其层流、湍流、混合对流进行了对流换热系数的测试,考虑热物性的改变后,其对流换热系数可以用传 统的关联式预测,并不存在奇异的强化效应。 一步法纳米流体无需使用表面活性剂,然而两步法必须采用活性剂才能稳定,这将对实验产生干扰。本文通过实验论证了表面活性剂SDBS对于细通道内流动沸腾换热的影响,活性剂溶液的表面张力大大降低,可以减小沸腾换热中汽泡的

纳米流体传热性能研究进展与问题

纳米流体传热性能研究进展与问题 李新芳，朱冬生 华南理工大学传热强化与过程节能教育部重点实验室, 广州 510641 E-mail xtulxf@https://www.wendangku.net/doc/8d17809356.html, 摘要：介绍了纳米流体的制备技术，重点阐述了纳米流体传热性能特异性研究进展和存在的问题，同时对今后纳米流体研究的发展方向提出了展望。 关键词：纳米流体；制备；传热性能 1. 引言 随着科学技术的飞速发展和能源问题的日益突出[1,2]，热交换设备的传热负荷和传热强度日益增大，传统的纯液体换热工质已很难满足一些特殊条件下的传热与冷却要求，低传热性能的换热工质已成为研究新一代高效传热冷却技术的主要障碍。提高液体传热性能的一种有效方式是在液体中添加金属、非金属或聚合物固体粒子。由于固体粒子的导热系数比液体大几个数量级，因此，悬浮有固体粒子的液体的导热系数要比纯液体大得许多。自从Maxwell 理论发表以来，许多学者进行了大量关于在液体中添加固体粒子以提高其导热系数的理论和实验研究，并取得了一些成果。然而，这些研究都局限于用毫米或微米级的固体粒子悬浮于液体中，由于这些毫米或微米级粒子在实际应用中容易引起热交换设备磨损及堵塞等不良结果，而大大限制了其在工业实际中的应用。 自20世纪90年代以来，研究人员开始探索将纳米材料技术应用于强化传热领域，研究新一代高效传热冷却技术。1995年，美国Argonne国家实验室的Choi等[3]提出了一个崭新的概念－纳米流体：即将1~100nm的金属或者非金属粒子悬浮在基液中形成的稳定悬浮液，这是纳米技术应用于热能工程这一传统领域的创新性研究。研究表明[4-6]，在液体中添加纳米粒子，可以显著增加液体的导热系数，提高热交换系统的传热性能，显示了纳米流体在强化传热领域具有广阔的应用前景。由于纳米材料的小尺寸效应，其行为接近于液体分子，不会像毫米或微米级粒子易产生磨损或堵塞等不良结果。因此，与在液体中添加毫米或微米级粒子相比，纳米流体更适于实际应用。 总之，由于纳米流体在各类科学研究和工程技术部门能够产生新的变革，加上它的运动方式新颖、能耗小、无污染和使用范围广等特点，因此受到人们极大关注。目前我国和世界上许多国家都在积极的开展这项研究，有关其基础理论和应用等方面的报道越来越多。本文简要介绍了纳米流体的制备，重点论述了纳米流体传热性能特异性研究的进展和存在的问题。 本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金(No.20050561017)和教育部新世纪优秀人才支持计划(No. NCET-04-0826)项目资助. - 1 -

纳米材料的形貌控制.(DOC)

纳米材料的形貌控制 1 概述 纳米材料是指材料的三维尺寸中至少有一维处于纳米尺度(1-100 nm)，或由纳米尺度结构单元构成的材料。随着纳米材料尺寸的降低，其表面的晶体结构和电子结构发生了变化，产生了如小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应等宏观物质所不具有的特殊效应，从而具有传统材料所不具备的物理化学性质。纳米材料的尺度处于原子簇和宏观物质交界的过渡域，是介于微观原子或分子和宏观物质间的过渡亚稳态物质，它有着与传统固体材料显著不同的量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应[1]，表现出奇异的光学、磁学、电学、力学和化学特性。 1.1 纳米材料的特性 1.1.1 量子尺寸效应 当粒子的尺寸下降到某一临界值时，其费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级，并且纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据的分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级，使得能隙变宽的现象，称为纳米材料的量子尺寸效应。当能级间距大于磁能、热能、静电能或超导态的凝聚能时，量子尺寸效应会导致纳米颗粒光、电、磁、热及超导电性能与宏观性能显著不同。量子尺寸效应是未来光电子、微电子器件的基础。 1.1.2 小尺寸效应 当纳米材料的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等外部物理量的特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏，非晶态纳米颗粒表面层附近的原子密度减小，从而导致其光、电、磁、声、热、力学等物质特性呈现出显著的变化：如熔点降低；磁有序向磁无序态，超导相向正常相的转变；光吸收显著增加，并产生吸收峰的等离子共振频移；声子谱发生

改变等，这种现象称为小尺寸效应。纳米材料的这些小尺寸效应为实用技术开拓了新领域。 1.1.3 表面效应 表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的变化而急剧增大后引起的材料性质上的变化。随着材料尺寸的减小，比表面积和表面原子所占的原子比例将会显著增加。例如，当颗粒的粒径为10 nm时，表面原子数为晶粒原子总数的20%，而当粒径为l nm时，表面原子百分数增大到99%。由于表面原子数增多，原子配位不足及高的表面能，使这些原子易与其他原子相结合以降低表面能，故具有很高的化学活性。这种表面原子的活性不但能引起纳米粒子表面输运和构型的变化，也会引起电子能级和电子自旋构象的变化，从而对纳米材料的电学、光学、光化学及非线性光学性质等产生重要影响。通过利用有机材料对纳米材料表面的修饰和改性，可以得到超亲水和超疏水等性能可调的纳米材料，可以广泛的应用于民用工业。 1.1.4 宏观量子隧道效应 量子物理中把微观粒子具有的贯穿势垒的能力称为隧道效应。近年来的研究发现一些宏观量，如超微颗粒的磁化强度，量子相干器件中的磁通以及电荷等也具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势垒而发生变化。故称为宏观量子隧道效应。对宏观量子隧道效应的研究对基础及应用研究都有着重要意义。宏观量子隧道效应与量子尺寸效应一起都将会是未来微电子、光电子器件的基础。此外，纳米粒子还具有其它的一些特殊性质，如库伦阻塞与量子隧穿及介电限域效应等。 1.2 纳米材料特性对材料性能的影响 1.2.1 电学性能 电学性能发生奇异的变化，是由于电子在纳米材料中的传输过程受到空间维度的约束而呈现出量子限域效应。纳米材料晶界上原子体积分数增大，晶界部分

6汇率传递_模型说明及文献综述

An Research Review about Exchange Rate Pass-through BI Yu-jiang (School of Economics and Trade ，Shanghai Lixin University of Commerce ，Shanghai 201620，China) Abstract ：Exchange rate is a kernel tool in open economy,it has important effects in maintaining the balance of internal and external economic development.The research on pass-through effects began from the exchange rate system changed from fixed system to float system.It is still an important component of the exchange rate's research.This paper analyzes the relationship between ex -change rate pass-through and the law of one price and pricing to market ，and also narrate the influence of pass-through on the price system by a pass-through model.The pass-through on export price and import price are sequential process.When exchange rate changed,exporter would adjust their makeup under the incomplete market structure.For the pass-through of import price,there al -ready exists incomplete pass-through.The final sale price includes untradeable domestic service cost,which was not influenced by ex -change rate,so the pass-through effect been further weakened. Key words ：exchange rate pass-through ；purchasing power parity ；Pricing to market ；mechanism of pass-through ； price stickiness 摘要：汇率是开放经济环境下的核心工具变量，在维持一国内部平衡和外部平衡时起着重要的作用。对于汇率传递问题的关注开始于世界由固定汇率体系向浮动汇率体系转变的时期，目前它仍然是关于外部调整研究的重要内容。本文分析了汇率传递与一价定律、依市场定价之间的关系，使用一个汇率传递模型阐明了汇率变动对价格体系的传导机制。汇率变动对商品出口价格和进口价格传递应该是一个连续的过程。当获知汇率发生变动时，出口商在不完全竞争的市场结构下，出于经营目的会调整其对价格的加成，这反应到进口国的进口价格上已经是一种“不完全”的传递；而进口商品由于存在分销过程，在最终销售价格上包含了相当程度的国内不可贸易的服务成本，这部分成本由于不受汇率变动的影响，因此汇率变动对进口价格的传递会进一步被削弱。 关键词：汇率传递；一价定律；依市场定价；传递机制；价格粘性中图分类号：F752.65 文献标识码：A 文章编号：1004-292X （2010）03-0100-04 收稿日期：2009-06-26 基金项目：上海市教委重点学科（第五期）“国际贸易”学科的资助（学科编号：J51702）；上海市哲学社会科学规划项目（项目编号： 2008EJB003）的阶段性成果。 作者简介：毕玉江（1974-），男，河南兰考人，博士，主要从事国际经贸理论与政策研究。 汇率传递：模型说明及文献综述 毕玉江 （上海立信会计学院经贸学院，上海201620） 自2007年美国金融危机爆发以来，世界市场需求不振，各国贸易保护主义抬头。我国是商品出口大国，世界市场需求对我国外贸发展尤其具有重要意义。而汇率是开放经济环境下的核心工具变量，在维持一国内部平衡和外部平衡时起着重要的作用。对于汇率传递问题的关注始于世界由固定汇率体系向浮动汇率体系转变的时期，目前它仍然是关于外部调整研究的重要内容。本文尝试对汇率传递进行较全面的概念剖析，明确汇 率变动对价格体系的影响和传导机制，为在金融危机下研究我国外贸长远发展提供思路。 汇率传递（pass-through ）最早出现于1970年代早期关于国际收支和货币校准（currency alignments ）问题的研究文献当中。William Branson(1973)认为，汇率调整并不总是会在最终的进出口价格上反应出来。他举例说明虽然日元升值，但日本出口商自己负担了成本的上升，他们降低了自己的利润(profit margins) ·100· 技术经济与管理研究2010年第3期

纳米材料的基本效应

第二章纳米材料的基本效应 §第一节表面效应 表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随着粒子尺寸的减小而大幅度的增加，粒子的表面能及表面张力也随着增加，从而引起纳米粒子物理、化学性质的变化。 纳米粒子的表面原子所处的晶体场环境及结合能与内部原子有所不同，存在许多悬空键，具有不饱和性质，因而极易与其他原子相结合而趋于稳定，具有很高的化学活性。 1、比表面积的增加 比表面积常用总表面积与质量或总体积的比值表示。质量比表面积、体积比表面积 (G代表质量，m2/g) (V代表颗粒的体积；m-1) 当颗粒细化时，粒子逐渐减小时，总表面积急剧增大，比表面积相应的也急剧加大。 如：把边长为1cm的立方体逐渐分割减小的立方体，总表面积将明显增加。

随着粒径减小，表面原子数迅速增加。这是由于粒径小，总表面积急剧变大所致。例如，粒径为10nm时，比表面积为90m2/g， 粒径为5nm时，比表面积为180m2/g， 粒径下降到2nm时，比表面积猛增到450m2/g。 这样高的比表面，使处于表面的原子数越来越多，同时表面能迅速增加。 2. 表面原子数的增加 由于粒子尺寸减小时，表面积增大，使处于表面的原子数也急剧增加．

3．表面能 由于表层原子的状态与本体中不同。 表面原子配位不足，因而具有较高的表面能。 如果把一个原子或分子从内部移到界面，或者说增大表面积，就必须克服体系内部分子之间的吸引力而对体系做功。 在T和P组成恒定时，可逆地使表面积增加dA所需的功叫表面功。 颗粒细化时，表面积增大，需要对其做功，所做的功部分转化为表面能储存在体系中。 因此，颗粒细化时，体系的表面能增加.。 由于表面原子数增多，原子配位不足及高的表面能，使这些表面原子具有高的活性，极不稳定，很容易与其他原子结合。

汇率波动的价格传递效应

经济导刊22 2011 / 01 传统的国际经济理论认为，汇率的波动等比例地反映在价格水平的变动之上，然而越来越多的事实证明：汇率对一国的价格传递往往是不完全的。随着2005年7月我国开始新一轮的汇率体制改革，人民币兑美元的双边汇率波动较之前更加频繁，研究汇率波动对进出口商品价格的不完全传递效应，对于我国制定产业政策和国内货币政策意义重大。 我国汇率制度的历史沿革 作为一国货币的对外价格，汇率是一国进行对外经济活动时最重要的综合性价格指标。在开放经济条件下，汇率在对外贸易和其他对外经济活动时执行着价格转化职能，是一种重要的经济杠杆。纵观人民币汇率改 革路程，人民币汇率经历了从单一汇率到复汇率，再到单一汇率，再到复汇率回归的过程。1994年我国宣布实行有管理的浮动汇率制，企业和个人向银行买卖外汇，银行进入银行间外汇市场进行交易，形成市场汇率。尽管这一改革引入了市场机制，但实际上这一期间人民币汇率基本实行的是盯住美元的固定汇率制。我国外汇储备规模持续扩大，贸易结构摩擦日益加剧，国内国外要求人民币汇率实行改革的呼声日高。 随着我国经济的快速发展和全球经济一体化步伐的加快，我国目前的外贸依存度已 经达到70%左右，成为世界上外贸依存度最高的国家。在这一情况下，2005年7月21日，中国启动了新一轮的人民币汇率形成机制改革，实行以市场供求为基础、参考一篮子货币的有管理的浮动汇率制。自此，人民币汇 【关键词】 汇率波动，价格传递机制 汇率波动的价格传递效应 文 | 朱莹莹 率机制更富弹性，汇率波动也趋于增强。人民币汇率波动对我国物价和通货膨胀水平的影响日益重要，成为一个值得深入研究的重要课题。 从2005年7月至2010年10月，人民币兑美元的中间价已经由最初的1美元兑换8.2765元升至1美元兑换6.6870元，根据BIS 公布的人民币名义有效汇率累计升值己经达到了19.2%，升值幅度明显。按照传统国际经济学分析框架，人民币如此大幅度的升值，必然会提高中国出口商品价格，降低进口商品价格，从而削弱中国出口商品竞争力，抑制出口，促进进口，这样有助于缓解中国外部经济长期失衡的“双顺差”局面。然而， 事实恰恰相反。在人民币快速升值的同时，中国对外贸易规模不断增长，出口规模和经常项目顺差持续攀升，并屡创历史新高。因此在实际的经济活动中，汇率影响商品价格的机制非常复杂，不同的机制有着不同的传导特点。 汇率变动对价格的 直接传递机制 直接传递机制是指汇率变动通过进口价格的改变来影响国内价格水平。如果本币升值，在外国进口商品以外币表示的价格不变的前提下，那么以本国货币表示的该商品的进口价格将降低；同理，如果本币贬值，那么以本币表示的外国进口商品的价格将相对提高。以本国货币标价的进口商品价格变得

通货膨胀对汇率的影响

通货膨胀对汇率的影响 11701班宋旭红1107544030 通货膨胀，指在纸币流通条件下，因货币供给大于货币实际需求，也即现实购买力大于产出供给，导致货币贬值，而引起的一段时间内物价持续而普遍地上涨现象，其实质是社会总需求大于社会总供给。通货膨胀在现代经济社会中已成为一种顽疾，不论是工业发达国家还是发展中国家，都存在着通货膨胀，当然其程度可能有显着差异。有的国家通货膨胀率较低，表现为温和的膨胀；有的国家通货膨胀率较高，表现为恶性的或剧烈的膨胀；同一个国家，不同的时期，通货膨胀的程度也是有区别的。但是，只要存在通货膨胀，那么它对经济的影响就大致相同，物价上涨，居民实际收入下降，造成经济和政治的不安定，同时通货膨胀也是影响汇率变动的一个长期、主要而又有规律性的重要因素。这是因为如果一国的货币发行过多，流通中的货币量超过了商品流通过程中的实际需求，就会造成通货膨胀，通货膨胀使一国的货币在国内购买力下降，使货币对内贬值，在其它条件不变的情况下，货币对内贬值，必然引起对外贬值。由于汇率是两国币值的对比，发行货币过多的国家，其单位货币所代表的价值量减少，因此在该国货币折算成外国货币时，就要付出比原来多的该国货币。 通货膨胀一般通过以下三个方面对汇率产生影响： 在商品、劳务贸易方面：一国发生通货膨胀，该国出口商品、劳务的国内成本就会提高，进而必然影响其国际价格，削弱了该国商品和劳务在国际市场的竞争力，影响出口外汇收入。同时，在汇率不变的情况下，该国的进口成本会相对下降，且能够按已上涨的国内物价出售，由此便使进口利润增加，进而会刺激进口，外汇支出增加。这样，该国的商品、劳务收支会恶化，由此也扩大了外汇市场供求的缺口，推动外币汇率上升和本币汇率下降。 在国际资本流动方面：一国发生通货膨胀，必然使该国的实际利率(即名义利息率减去通货膨胀率)降低，投资者为追求较高的利率，就会把资本移向海外，这样，又会导致资本项目收支恶化，不利于该国的资本项目状况。资本的过多外流，导致外汇市场外汇供不应求，外汇汇率上升，本币汇率下跌。 关于人们的心理预期：一国通货膨胀不断加重，会影响人们对该国货币汇率走势的心理预期，继而产生有汇惜售、待价而沽与无汇抢购的现象，其结果会刺

温度计算公式及过程

采用覆盖一层塑料布，当接近临界值时采取覆盖一层岩棉被的保温措施。 假设混凝土浇筑入模温度：T 0=26℃ 室外平均气温：Ta=27℃ 每立混凝土水泥用量：mc=410Kg 每立混凝土粉煤灰用量：F=75Kg 混凝土浇筑厚度：h=1.7m 1、计算混凝土绝热温度 )1(.)(e c G m t T mt c --=ρ 其中： mc=410Kg G=375J/Kg m=0.384 经计算可知：Tmax=410x375/0.96x2400=66.73℃ 2、不同龄期混凝土内部温度可按下式估算： Tt=Tmax ק+T 0+F/50 §---与龄期块体厚度、施工方法等有关的系数 F---粉煤灰用量，取75Kg/m3 T 0---混凝土入模温度，取26℃ 根据上式并参照建筑施工计算手册估算本工程内部温度Tt 最大值出现在浇 因3、混凝土保温养护需要覆盖的材料及厚度选择： 设用岩棉板保温，其导热系数0.14W/（m ·K ），属易透风的保温材料，取K=2.6 保温材料的厚度，由下式得： δ=0.5h*λi (Tb-Ta)*K/λ(Tmax-Tb) 计算 δ=0.5*1.8*0.14 (25-20)*2.6/2.3*(66.73-25)=0.012米=1.2厘米 式中：δ—保温材料厚度 h —混凝土实际厚度 λi —所选保温材料导热系数，选用岩棉板进行保温，取0.14 Tb —混凝土表面温度(℃) Ta —施工期大气平均温度(℃)，取20℃ K —传热系数修正值，取K=2.6 λ—混凝土导热系数，取2.3. Tmax —计算得砼最高温度℃ 故知，用1.2cm 厚岩棉板覆盖保温可控制裂缝出现。

纳米材料的基本效应及应用

纳米材料的特异效应及应用 摘要：介绍了纳米材料所独有的小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效以及介电限域效应，这些效应使得它们在磁、光、电、敏感等方面呈现出常规材料不具备的特性。综述了纳米材料在催化、传感、磁性、食品、化妆品、生物医学等方面的应用，叙述了纳米材料在科学技术发展和社会进步中所起到的重要作用，并说明了它还将有更广阔的应用前景。 关键词：纳米材料；基本效应；应用 Nanostructured material’s special effects and its applications Abstract：The particular small size effect，surface effect，quantum size effect, macroscopic quantum tunneling effect and dielectric confinement effect with nanometer materials are presented . As a result of these effects，nanometer materials possess some special properties which normal materials do not have as far as magnetics ，optics ，electronics ，and sensitivity，ect . are concerned . The application of nanometer in the catalytics ，sensitivity ，magnetics，food ,cosmetics and biomedicine，and so on are summarized . And t he important role of nanometer material in science and technology development and social progress is described. The application prospect of nanometer materials is also illustrated. Key words：nanometer materials ；basic effect ；application 1984年德国科学家Gleiter首先制成了金属纳米材料，同年在柏林召开了第二届国际纳米粒子和等离子簇会议，使纳米材料成为世界性的热点之一；1990年在美国巴尔的摩召开的第一届NST会议，标志着纳米科技的正式诞生；1994年在德国斯图加特举行的第二届NST会议，表明纳米材料已成为材料科学和凝聚态物理等领域的焦点。 纳米材料是指由纳米粒子构成的固体材料，其中纳米颗粒的尺寸最多不超过100nm，在通常情况下，应不超过l0nm。即这种材料是指其基本颗粒在l～100nm 范围内的材料。纳米粒子是处在原子簇和宏观物质交界的过渡区域，是一种典型的介观系统，包括金属、非金属、有机、无机和生物等多种颗粒材料。随着物质

纳米材料的表面效应

纳米材料微观结构至少在一维方向上受纳米尺度（1nm--100nm）调制的各种固体超细材料，它包括零维的原子团蔟（几十个原子的聚集体）和纳米微粒；一维调制的纳米多层膜；二维调制的纳米微粒膜（涂层）；以及三维调制的纳米相材料。 纳米固体中的原子排列既不同于长程有序的晶体，也不同于长程无序、长程有序的"气体状"固体结构，是一种介于固体和分子间的亚稳中间态物质。因此，一些研究人员把纳米材料称之为晶态、非晶态之外的"第三态晶体材料"。 正是由于纳米材料这种特殊的结构，使之产生四大效应，即表面效应和界面效应、小尺寸效应、量子效应（含宏观量子隧道效应），从而具有传统材料所不具备的物理、化学性能，表现出独特的光、电、磁和化学特性。 （1）表面与界面效应 这是指纳米晶体粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。例如粒子直径为10纳米时，微粒包含4000个原子，表面原子占40%；粒子直径为1纳米时，微粒包含有30个原子，表面原子占99%。主要原因就在于直径减少，表面原子数量增多。再例如，粒子直径为10纳米和5纳米时，比表面积分别为90米2/克和180米2/克。如此高的比表面积会出现一些极为奇特的现象，如金属纳米粒子在空中会燃烧，无机纳米粒子会吸

附气体等等。 （2）小尺寸效应 当纳米微粒尺寸与光波波长，传导电子的德布罗意波长及超导态的相干长度、透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，它的周期性边界被破坏，非晶态纳米粒子的颗粒表面层附近的原子密度减少，从而使其声、光、电、磁，热力学等性能呈现出新的物理性质的变化称为小尺寸效应。例如，铜颗粒达到纳米尺寸时就变得不能导电；绝缘的二氧化硅颗粒在20纳米时却开始导电。再譬如，高分子材料加纳米材料制成的刀具比金钢石制品还要坚硬。利用这些特性，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、红外隐身技术等等。 （3）量子尺寸效应 当粒子的尺寸达到纳米量级时，费米能级附近的电子能级由连续态分裂成分立能级。当能级间距大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能或超导态的凝聚能时，会出现纳米材料的量子效应，从而使其磁、光、声、热、电、超导电性能变化。例如，有种金属纳米粒子吸收光线能力非常强，在1.1365千克水里只要放入千分之一这种粒子，水就会变得完全不透明。 （4）宏观量子隧道效应

纳米材料的定义

纳米材料的定义 指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料。 纳米技术 1）至少有一维处于0.1～100nm； （2）因具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应、或宏观量子隧道效应等引起光学、热学、电学、磁学、力学、化学等性质发生十分显著的变化。 .5 自然界的纳米技术 ★人体和兽类的牙齿 ★海洋中的生命粒子 ★蜜蜂的“罗盘”－腹部的磁性纳米粒子 ★螃蟹的横行－磁性粒子“指南针”定位作用的紊乱 ★海龟在大西洋的巡航－头部磁性粒子的导航 ★荷花出污泥而不染等 二、纳米材料性能 纳米材料的微粒特性 纳米微粒具有大的比表面积，表面原子数、表面能和表面张力随粒径的下降急剧增加， 小尺寸效应，表面效应、量子尺寸效应及宏观量子隧道效应等导致纳米微粒的热、磁、光敏感特性和表面稳定性等不同于常规粒子，这就使得它具有广阔应用前景。 2、量子尺寸效应 当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象和纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低末被占据的分子轨道能级，这些能隙变宽现象均称为量子尺寸效应。 3、小尺寸效应 纳米材料中的微粒尺寸小到与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性边界条件将会被破坏；非晶态纳米粒子表面层附近原子密度减小，导致声、光、电、磁、热力学等特性呈现新的小尺寸效应。 4、表面界面效应 纳米颗粒尺寸小，表面能高，位于表面的原子占相当大的比例。随尺寸减小，表面原子数迅速增加：表面原子数增多，原子配位不足及高的表面能，使这些表面原子具有高的活性，极不稳定，很容易与其他原子结合，例如金属的纳米粒子在空气中会燃烧，无机的纳米粒子暴露在空气中会吸附气体，并与气体进行反应。 5、宏观量子隧道效应 微观粒子具有贯穿势垒的能力称隧道效应。 §2.2.1 热学性能 纳米材料是指晶粒尺寸在纳米数量级的多晶体材料，具有很高比例的内界面(包括晶界、相界、畴界等)。 由于界面原子的振动焓、熵和组态焓、熵明显不同于点阵原子，使纳米材料表现出一系列与普通多晶体材料明显不同的热学特性，如比热容升高、热膨胀系数增大、熔点降低等。 纳米材料的这些热学性质与其晶粒尺寸直接相关。 熔点下降的原因： 由于颗粒小，纳米微粒的表面能高、表面原子数多，这些表面原子近邻配位不全，活性大(为原子运动提供动力)，纳米粒子熔化时所需增加的内能小，这就使得纳米微粒熔点急剧下降。

纳米材料的基本效应

纳米材料的四个基本效应 转载▼ 纳米材料由纳米离子组成，纳米离子一般是指尺寸在1-100纳米之间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统也非典型的宏观系统，是一种典型人界观系统，它具有如下四方面效应，并由此派生出传统固体不具有的许多特殊性质。 1、表面效应 粒子直径减少到纳米级，不仅引起表面原子数的迅速增加，而且纳米粒子的表面积、表面能都会迅速增加。这主要是因为处于表面的原子数较多，表面原子的晶场环境和结合能与内部原子不同所引起的。表面原子周围缺少相邻的原子，有许多悬空键，具有不饱和性质，易与其它原子相结合而稳定下来，故具有很大的化学活性，晶体微粒化伴有这种活性表面原子的增多，其表面能大大增加。 2、量子尺寸效应 指纳米粒子尺寸下降到一定值时，费米能级附近的电子能级由连续能级变为分立能级的现象。这一效应可使纳米粒子具有高的光学非线性、特异催化性和光催化性质等。 3、体积效应 指纳米粒子的尺寸与传导电子的德布罗意波长相当或更小时，周期的边界条件将破坏，磁性、内压、光吸收、热阻、化学活性、催化性及熔点等都较普通粒子发生了很大的变化。如光吸收显著增加并产生吸收峰的等粒子共振频移，由磁有序态向磁无序态，超导相向正常相转变等。 4、宏观量子隧道效应 宏观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。近年来，人们发现一些宏观量，例如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量以及电荷等亦具有隧道效应，他们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化，故称为宏观的量子隧道效应MQT（Macroscopic Quantum Tunneling）。这一效应与量子尺寸效应一起，确定了微电子器件进一步微型化的极限，也限定了采用磁带磁盘进行信息储存的最短时间。 以上四种效应是纳米粒子与纳米固体的基本特性，它使纳米粒子和固体呈现许多奇异的物理性质、化学性质，出现一些反常现象，如金属为导体，但纳米金属微粒在低温由于量子尺寸效应会呈现电绝缘性；化学惰性的金属铂制成纳米微粒（箔黑）后，却成为活性极好的催化剂等。

纳米材料四大效应及相关解释

纳米材料四大效应及相关解释 四大效应基本释义及内容： 量子尺寸效应：是指当粒子尺寸下降到某一数值时，费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级或者能隙变宽的现象。当能级的变化程度大于热能、光能、电磁能的变化时，导致了纳米微粒磁、光、声、热、电及超导特性与常规材料有显著的不同。 小尺寸效应：当颗粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏，非晶态纳米粒子的颗粒表面层附近的原子密度减少，导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现新的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。 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。随着颗粒直径的变小，比表面积将会显著地增加，颗粒表面原子数相对增多，从而使这些表面原子具有很高的活性且极不稳定，致使颗粒表现出不一样的特性，这就是表面效应。 宏观量子隧道效应：当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒。近年来，人们发现一些宏观量，例如微颗粒的磁化强度，量子相干器件中的磁通量等亦有隧道效应，称为宏观的量子隧道效应。 四大效应相关解释及应用： 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。随着颗粒直径的变小比表面积将会显著地增加。例如粒径为10nm时，比表面积为90m2/g；粒径为5nm时，比表面积为180m2/g；粒径下降到2nm时，比表面积猛增到450m2/g。粒子直径减小到纳米级，不仅引起表面原子数的迅速增加，而且纳米粒子的表面积、表面能都会迅速增加。这主要是因为处于表面的原子数较多，表面原子的晶场环境和结合能与内部原子不同所引起的。表面原子周围缺少相邻的原子，有许多悬空键，具有不饱

纳米结构与纳米材料25个题目+完整答案

1.什么是纳米材料？其内涵是什么？（从零、一、二、三维考虑） 2.纳米材料的四大效应是什么？对每一效应举例说明。 3.纳米材料的常用的表征方法有哪些？ 4.用来直接观察材料形态的SEM、TEM、AFM对所测定的样品有哪些特定要求？从它们的图像中能够得到哪些基本信息？ 5.纳米颗粒的高表面活性有何优缺点？如何利用？ 6.在纳米颗粒的气相合成中涉及到哪些基本环节？气相合成大致可分为哪四种？气相成核理论的机制有哪两种？ 7.溶胶-凝胶法制备纳米颗粒的基本过程是怎样的？ 8.用溶胶-凝胶技术结合碳纳米管的生长机理，可获得密度不同的碳纳米管阵列（也叫纳米森林），简要阐述其主要步骤及如何控制碳纳米管的分布密度？ 9.改变条件可制备不同晶粒大小的二氧化钛，下图分别为两种晶粒尺寸不同的二氧化钛的XRD图与比表面积数据。请用Scherrer 方程、BET比表面积分别估算这两种二氧化钛的晶粒尺寸（XRD测试时所用的 = 1.5406?，锐钛矿相二氧化钛的密度是3.84 g/cm3）（默写出公式并根据图中的数据来计算）。 10.氧化物或者氮化物纳米材料具有许多特殊的功能，请以一种氧化物或者氮化物为例，举出其三种主要的制备方法（用到的原料、反应介质、主要的表征手段）、主要用途（与纳米效应有关的用途）、并介绍这种物质的至少两种晶相。 11.举出五种碳的纳米材料，阐述其一维材料与二维材料的结构特点、用途。 12.简述纳米材料的力学性能、热学性能与光学性能有怎样的变化？ 13.什么叫化学气相沉积法，它与外场结合又可衍生出哪些方法？简述VLS机制。 14.纳米半导体颗粒具有光催化性能的主要原因是什么？光催化有哪些具体应用 15.利用机械球磨法制备纳米颗粒的主要机制是什么？有何优、缺点？ 16 何为“自催化VLS生长”？怎样利用自催化VLS生长实现纳米线的掺杂？ 17.液相合成金属纳米线，加入包络剂(capping reagent)的作用是什么？ 18.何为纳米材料的模板法合成？它由哪些优点？合成一维纳米材料的模板有哪些？ 19.试结合工艺流程图分别说明氧化铝模板的制备过程以及氧化铝模板合成纳米线阵列的过程 20.从力学特性、电学特性和化学特性来阐述碳纳米管的性质，它有哪些主要的应用前景？ 21.如何提高传统光刻技术中曝光系统的分辩率？ 22.试比较电子束刻蚀和离子束刻蚀技术的异同点和优缺点。 23.比较极紫外光刻技术和X射线光刻技术的异同。 24.何为纳米材料的自组装？用于制备纳米结构的微乳液体系一般有几个组成部分？ 25 何谓“取向搭接Oriented attachment”“奥斯德瓦尔德熟化Ostwald ripening”?