东南大学纳米物理：3.纳米结构的基本单元.pdf

1 1 第二章 纳米科学的物理基础 第二章 纳米科学的物理基础 一 一 纳米材料的结构单元纳米材料的结构单元 2 零维 团簇 纳米颗粒 也称为量子点 一维 纳米线 纳米管 纳米针 也称为量子线 二维 多层膜 超晶格 也称为量子阱 三维 由0 2维纳米材料构成的复合体 零维 团簇 纳米颗粒 也称为量子点 一维 纳米线 纳米管 纳米针 也称为量子线 二维 多层膜 超晶格 也称为量子阱 三维 由0 2维纳米材料构成的复合体 纳米材料的基本单元结构纳米材料的基本单元结构纳米材料的基本单元结构纳米材料的基本单元结构 3 原子团簇 几个 几十 成千上万个 原子的构成的稳定聚合体 0 1nm 10nm 除惰性气体外 原子间以化学键紧密 结合 性质既不同于单个原子 分子 也不 同于固体或液体 王广厚 1994年6月 1998年3月 原子团簇 几个 几十 成千上万个 原子的构成的稳定聚合体 0 1nm 10nm 除惰性气体外 原子间以化学键紧密 结合 性质既不同于单个原子 分子 也不 同于固体或液体 王广厚 1994年6月 1998年3月 1 1 1 1 原子团簇 原子团簇 原子团簇 原子团簇 clusterclusterclustercluster 可作为各种物质原子分子向大块物质转 变中的特殊物相 它代表了凝聚态物质 的初始状态 团簇研究有助于弄清团簇如何由原子分 子一步步发展而来 以及随着这种发 展 团簇的性质将如何改变 如何发展 成固体的 另外研究电子能带的演化 可作为各种物质原子分子向大块物质转 变中的特殊物相 它代表了凝聚态物质 的初始状态 团簇研究有助于弄清团簇如何由原子分 子一步步发展而来 以及随着这种发 展 团簇的性质将如何改变 如何发展 成固体的 另外研究电子能带的演化 4 激光蒸发法制备C激光蒸发法制备C60 60团簇 团簇 5 团簇尺寸的演化团簇尺寸的演化 团簇研究的基本问题 弄清团簇如何由原子 分子一步一步发展而成 以及随着这种发展 团簇的结构和性质如何变化 团簇研究的基本问题 弄清团簇如何由原子 分子一步一步发展而成 以及随着这种发展 团簇的结构和性质如何变化 6 NaCl NaCl n n团簇生长螺旋团簇生长螺旋 2 7 团簇的稳定结构和幻数团簇的稳定结构和幻数 团簇的幻数序列与构成团簇 的原子键合方式有关 金属键 自由价电子 共价键 Si C 离子键 金属卤化物 范德瓦尔斯键 惰性元素 团簇的幻数序列与构成团簇 的原子键合方式有关 金属键 自由价电子 共价键 Si C 离子键 金属卤化物 范德瓦尔斯键 惰性元素 幻数特征 壳层结构 幻数特征 壳层结构 8 对于密堆积的纳米微粒 壳 层的原子数可以表示为 n 为壳层数 第一层 1 12 13 第二层 13 42 55 第三层 55 92 147 对于密堆积的纳米微粒 壳 层的原子数可以表示为 n 为壳层数 第一层 1 12 13 第二层 13 42 55 第三层 55 92 147 210 2 n 9 石墨 碳的最常见形态石墨 碳的最常见形态 较软 黑色 结构稳定 原子层状结构较软 黑色 结构稳定 原子层状结构 金刚石金刚石 透明 超硬 原子间四个共价键透明 超硬 原子间四个共价键 C60 碳单质的另一种稳定结构12 个五边形和20个六边形组成又称 为富勒烯或足球烯 C60 碳单质的另一种稳定结构12 个五边形和20个六边形组成又称 为富勒烯或足球烯 C C60 60富勒烯 Fullerene 富勒烯 Fullerene 10 意外发现C意外发现C60 60 Prof Kroto 期望 从红巨星里发现 Prof Kroto 期望 从红巨星里发现 碳的长链结构碳的长链结构 Prof Curl Prof Smalley 建立实验装置 利用激光可蒸发 绝大部分物质 Prof Curl Prof Smalley 建立实验装置 利用激光可蒸发 绝大部分物质 合作合作 C60 1985秋 联络 C60 1985秋 联络 11 Prof R F Curl Rice University Houston TX USA Prof Sir Harold W Kroto University of Sussex Brighton England Prof R E Smalley Rice University TX USA Reference http www nobel se chemistry laureates 1996 因发现富勒烯获得1996年诺贝尔化学奖因发现富勒烯获得1996年诺贝尔化学奖 12 富勒烯家族新成员 C36富勒烯家族新成员 C36 3 13 2 碳纳米管 碳纳米管 1970年 法国奥林大学的年 法国奥林大学的Endo首次用气相生长技术制成了 直径为 首次用气相生长技术制成了 直径为7nm的碳纳米丝 但遗憾的是他未对其结构进行细致 的评估和表征 的碳纳米丝 但遗憾的是他未对其结构进行细致 的评估和表征 1991年 美国海军实验室在一篇理论性文章中预计了一种 碳纳米管的电子结构 并认为短期内很难将其成功合成 年 美国海军实验室在一篇理论性文章中预计了一种 碳纳米管的电子结构 并认为短期内很难将其成功合成 1991年年1月 日本月 日本NEC实验室的实验室的Iijima等首次报导了一种具 有新型分子结构 等首次报导了一种具 有新型分子结构 纳米管纳米管 的碳的合成 并首次通过高分辨电 镜观察到其结构为多层同轴管 1995中国科学院物理研究所解思深等实现了碳纳米管的定向 生长 并成功合成了超长 毫米级 纳米碳管 长100微米 阵 列面积可高达3毫米 3毫米 的碳的合成 并首次通过高分辨电 镜观察到其结构为多层同轴管 1995中国科学院物理研究所解思深等实现了碳纳米管的定向 生长 并成功合成了超长 毫米级 纳米碳管 长100微米 阵 列面积可高达3毫米 3毫米 14 最细的碳纳米管最细的碳纳米管 0 4 nm 0 4 nm 2000年 香港科技大学的汤子康博士即宣布发现了世界上最细的纯碳 纳米碳管0 4nm 这一结果已达到碳纳米管的理论极限值 2000年 香港科技大学的汤子康博士即宣布发现了世界上最细的纯碳 纳米碳管0 4nm 这一结果已达到碳纳米管的理论极限值 15 Nanotube Covers 16 大块稳定碳晶体 石墨大块稳定碳晶体 石墨 0 34 纳米碳管的结构纳米碳管的结构 0 14 碳纳米管可看成有单层石墨卷起来 形成的 性质等由特征矢量 碳纳米管可看成有单层石墨卷起来 形成的 性质等由特征矢量 C na1 ma2 n m 决定 不同的 决定 不同的m n值将导致不同的碳管结 构和性质 值将导致不同的碳管结 构和性质 2 3 tan 3 1 2 1 22 nmm mnmnaCd ccht 纳米管直径纳米管直径 17 A 单臂碳纳米管 单臂碳纳米管 n m B 形成锯齿形 形成锯齿形 n或或m 0 C 手性 手性 chiral D 扫描隧道显微镜照片 扫描隧道显微镜照片 E 多壁 多壁CNT 锯齿形锯齿形 zigzag n或或m 0 单臂碳纳米管单臂碳纳米管 armchair tubes n m 手性 手性 chiral 其他其他18 手性或锯齿形手性或锯齿形CNT 当 当n m 3l 为金属性 为金属性 当 为半导体 能隙约 当 为半导体 能隙约 0 5 eV 依赖于直径 依赖于直径 C C g t t a E d C C a t 5 4 eV 1 42 a CNT I V 曲线曲线 b dI dV 谱谱 c 能隙和管直径关系能隙和管直径关系 理论计算显示单臂碳纳米 管m n能带跨越费米能级 所以是金属性电导率通常可 达铜的1万倍 理论计算显示单臂碳纳米 管m n能带跨越费米能级 所以是金属性电导率通常可 达铜的1万倍 零缺陷 lmn3 4 19 单臂SWNT 的态密度 紧束缚计算 单臂SWNT 的态密度 紧束缚计算 STM STM I VI V谱图谱图 Zigzag dt 1 6nm 18 dt 1 7nm 21 dt 1 5nm 11 dt 1 8nm Armchair dt 1 4nm Hassanien et al Appl Phys Lett 73 3839 1998 20 放置于金属衬底上方 放置于金属衬底上方 d 的碳纳米管电容 其中 的碳纳米管电容 其中 R为为CNT半径 半径 L为长度为长度 ln 2C 2122 0 RRddL 碳纳米管中的单电子传输碳纳米管中的单电子传输 单电子填充能量 单电子填充能量 C e E 2 C Room temperature single electron transistors RTSET are realized within individual metallic single walled carbon nanotube molecules The devices feature a short down to 20 nanometers nanotube section that is created by inducing local barriers into the tube with an atomic force microscope Coulomb charging is observed at room temperature with an addition energy of 120 millielectron volts which substantially exceeds the thermal energy 利用单根利用单根CNT制成的单电子晶体管 衬底 制成的单电子晶体管 衬底 Si SiO2 金电极 标尺 金电极 标尺 200 nm 21 沿碳纳米管的弹性输运 电导量子化沿碳纳米管的弹性输运 电导量子化G NG0 2Ne2 h MWNT电导和垂直位置的函数MWNT电导和垂直位置的函数 Science 280 1744 1998 沿长碳纳米管的非相干输运 高载流子迁移率 室温下10 沿长碳纳米管的非相干输运 高载流子迁移率 室温下104 4 10 105 5cmcm2 2 V V 1 1s s 1 1 J Phys Condens MatterJ Phys Condens Matter16 R553 2004 16 R553 2004 22 3 3 二维纳米结构 二维纳米结构 二维纳米结构 二维纳米结构 Figure 1 HRTEM image of GaAs AlAs GaAs quantum well structure 量子阱量子阱 镓砷镓砷GaAs窄禁带窄禁带 铝镓砷铝镓砷 AlGaAs宽带隙宽带隙 GaAs层中的电 子为在 层中的电 子为在AlGaAs高势垒形成的势 阱中的束缚态 形成分离能级 高势垒形成的势 阱中的束缚态 形成分离能级 23 二维电子系统二维电子系统 24 超晶格超晶格 两种或多种材料交替生长构成的周期 性多层结构 两种或多种材料交替生长构成的周期 性多层结构 超晶格形成周期性势阱 且不同势阱中束缚态量子 相干 超晶格形成周期性势阱 且不同势阱中束缚态量子 相干 5 25 表面纳米结构表面纳米结构表面纳米结构表面纳米结构 表面再构表面再构表面再构表面再构 当晶体被切 当晶体被切 当晶体被切 当晶体被切 开的时候 表面有很多开的时候 表面有很多开的时候 表面有很多开的时候 表面有很多 悬空键 表面数层原子悬空键 表面数层原子悬空键 表面数层原子悬空键 表面数层原子 可以不同程度的位移离可以不同程度的位移离可以不同程度的位移离可以不同程度的位移离 开平衡位置 从而达到开平衡位置 从而达到开平衡位置 从而达到开平衡位置 从而达到 能量最低点 成为表面能量最低点 成为表面能量最低点 成为表面能量最低点 成为表面 再构再构再构再构 可以研究表面形成过程 缓解内应力 研究和理解表可以研究表面形成过程 缓解内应力 研究和理解表可以研究表面形成过程 缓解内应力 研究和理解表可以研究表面形成过程 缓解内应力 研究和理解表 面