纳米结构单元及相关术语.pdf

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1、第二章纳米结构单元及相关术语1）团簇2）纳米粒子3）纳米相材料4）准一维纳米材料5）量子阱、量子线和量子点6）人造原子物质性质随尺寸的演变块体微晶纳米粒子分团簇子1厘米1微米100纳米10纳米1纳米0.1纳米FeFeFe块体铁材料铁纳米相材料铁磁性消失银白色金属光泽无金属光泽，黑色（超顺磁性）导体矫顽力增大绝缘体铁磁性电阻增大团簇（Cluster）团簇是各种物质由原子、分子向大块物质转变的过渡状态，或者说，团簇代表了凝聚态物质的初始状态，是介于原子、分子与宏观固体之间的物质结构的新层次，有时被称为物质的“

2、第五态”。从原子到宏观块体材料的演变团簇的定义：团簇是由几个至上千个原子、分子或离子组成的相对稳定的聚集体（尺寸常常不超过1nm）。团簇的分类：1）一元原子团簇，如：Nan,Nin，C60,C702）二元团簇，如：InnPm,AgnSm3）多元团簇，如：Vn(C6H6)m4）原子簇化合物，是原子团簇与其它分子以配位键结合形成的化合物（例如，某些含Fe-S团簇的蛋白质分子）。团簇的特点：团簇往往产生于非平衡条件，很难在平衡的气相中产生。对于尺寸较小的团簇，每增加一个原子，团簇的结构发生变化，所谓重构。而当团

3、簇大小达到一定尺寸时，变成大块固体的结构，此时除了表面原子存在驰豫外，增加原子不再发生重构，其性质也不会发生显著改变，这就是临界尺寸。原子团簇不同于具有特定大小和形状的分子，不同于分子间以弱的相互作用结合而成的聚集体以及周期性很强的晶体。其形状可以是多种多样的，已知的有球状、骨架状、洋葱状、管状、层状、线状等。除惰性气体外，均是以化学键紧密结合的聚集体。团簇的幻数：在各种团簇的质谱分析中，有一个共同的规律：在团簇的丰度随着所含原子数目n的增大而缓慢下降的过程中，在某些特定值n=N，出现突然增强的峰值，表明

4、具有这些特定原子（分子）数目的团簇具有特别高的热力学稳定性。这个数目N就叫做团簇的幻数（MagicNumber）。这种特征，与原子中的电子状态，原子核中的核子状态很相似，表明团簇也具激光蒸发石墨产生碳原子团簇的质谱有壳层结构（shellstructure）。这与对（1984年Exxon石油公司罗尔芬小组）称性和相互作用势密切相关。C60及富勒烯家族：碳的第三种稳定的同素异形体。1985年，H.W.Kroto,R.E.Smalley和B.Curl在激光加热石墨蒸发并在甲苯中形成碳的团簇时发现（C60），称为

5、富勒烯（fullerene）、足球烯（footballene）或巴基球（buckball）。1996年三人获诺贝尔化学奖。除C60之外，富勒烯家族还有C70,C76,C84,C90,C94等。碳601992年瑞士洛桑联邦综合工科大学的D.Ugarte等人还发现一种洋葱状富勒烯，称为巴基葱（bucky-onion）。巴基葱的中心是C60分子，其外围由具有240－540和960个原子的富勒烯原子层封闭叠套起来，形成一层套一层的洋葱状结构。有的可包含多达70层球面，层间距约0.334nm，直径可达47nm。巴基

6、葱罗尔芬的遗憾Kroto研究小组获得的碳原子团簇的质谱。激光蒸发石墨产生碳原子团簇的质谱（1984年Exxon石油公司罗尔芬小组）其中a,b,c对应不同实验条件下的情况。从图中可以清楚地看到C60和C70的特征峰。团簇的性质及用途：团簇的物理和化学性质随所含原子数目而变化，其许多性质既不同于单个原子、分子，也不同于大块固体（或液体），例如幻数和壳结构、量子尺寸效应、表面效应和库仑爆炸等。团簇在量子点激光、单电子晶体管、尤其作为构造结构单元研制新材料有广阔的应用前景。正像胚胎学以期特殊的方式说明生物学规律一

7、样，团簇研究有助于我们认识凝聚物质的某些性质和规律。纳米粒子有时称为纳米颗粒、纳米微粒、超微粒子、纳米粉一般指颗粒尺寸在1－100nm之间的粒状物质。它的尺度大于原子簇，小于通常的微粉。早期称作超微粒子。纳米颗粒是肉眼和一般的光学显微镜看不见的微小粒子。名古屋大学的上田良二（R.Uyeda）给纳米颗粒的定义是：用电子显微镜才能看到的颗粒称为纳米颗粒。纳米颗粒所含原子数范围在103－107个（1－100nm）。其比表面比块体材料大得多，加之所含原子数很少，通常具有量子效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道

8、效应，因而展现出许多特异的性质。132nm505nm12015nm15518nm利用Frens法和晶核生长法合成的金纳米粒子纳米相材料早期名称有些混乱，也有人称为纳米固体材料、纳米晶材料、纳米结构材料、甚至纳米材料。指由大量的纳米尺度的颗粒构成的固体材料。有人认为，颗粒大小为几个纳米的粒子不能认为是具有长程序的传统晶体，因而不能把纳米粒子压结成的固体叫做纳米多晶体，而应该叫做纳米态固体。纳米相材料的结构特点：含有大量的晶界、相