第二章-纳米结构单元1

第二章纳米结构单元。组成纳米结构的基本单元是：维：团簇、纳米粒子、八面体、三角形、多面体和其他一维：纳米线、纳米棒、纳米带、纳米管和纳米锥以及其他二维：纳米片。2.1维纳米材料的2.10.1簇簇仅在20世纪80年代出现。原子团簇：是指由几个到几百个原子组成的集合体(颗粒大小通常等于或小于1纳米)，例如：纳米(n和m是整数)的碳团簇(C60、C70、富勒烯等。)，而原子簇的研究是多学科交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉交叉除了惰性气体，它们都是由化学键紧密结合的聚集体。原子团簇的分类：一元原子团簇：是由同一原子形成的团簇，如金属团簇、非金属团簇、碳团簇等。b二元原子团簇：是由两个原子组成的团簇，如锌、银等。多组分原子团簇：具有不同原子团簇。例如，诸如Vn(C6H6)m的D-簇化合物：是由原子簇和其它分子之间的配位键形成的化合物。除C60外，大多数原子团簇的结构都不清楚，已知的结构有线状、管状、层状、洋葱状、骨架状、球形等。原子团簇具有许多奇怪的特性：a，由于其极大的比表面积、量子尺寸效应和B光的非线性效应、C电导率的几何尺寸效应、dC60掺杂剂的导电性和超导性等，具有极高的化学活性和催化活性。目前，可以大量生产和分离的团簇是C60和富勒烯。2.1.2C60和富勒烯碳有两种同素异形体，一种是软石墨，另一种是硬金刚石。1985年，美国科学家科尔、斯马利和英国科学家克罗托发现了以C60和C70以及斯莫利克洛托科尔为代表的富勒烯。C60的发现过程：1966年，琼斯提出了全碳分子的概念，1970年，在合成碗状转子线的启发下，奥萨瓦提出了合成C60的概念。1984年，罗福林在用激光蒸发石墨时发现了c团簇(CNN=8 100)。C60更明显，只强调n是偶数。Kroto和Curl在1985年用脉冲激光蒸发石墨。用时间飞行质谱对反应物进行监测，发现720纳米(C60)和840纳米70的质谱峰强度很大。1990年，霍夫曼等人发明了一种制备大量富勒烯的方法，从而世界上以C60为代表的富勒烯研究得到了发展。他们很快得出结论，C60具有球形结构，并以圆顶的发明者巴克明斯特富勒的名字命名为富勒烯。C60的结构是一个60个碳原子的球体，一个由20个正六边形和12个正五边形组成的32面封闭球体。其中，碳碳单键由六边形和五边形共享，碳碳双键C60中的键由两个六边形共享，a5=0.146nm，a6=0.140nm。从其结构可以看出，烯烃分子单元由一个五边形和五个六边形组成。远洋分子单元：由2个5面和2个6面(2)、(5)组成，2个5面富勒烯之间的距离最大，有利于分子的最小弯曲度和张力，有利于分子结构更加稳定。C60的直径为：0.709纳米(计算值)和0.7100.007纳米(实验值)(侯建国于2002年证实)。每个碳原子的结合能为7.4电子伏，稳定性好。随着富勒烯中碳原子数量的增加，碳原子和碳-碳的种类也增加，对称性和稳定性降低。其他富勒烯结构更复杂。C70和其他富勒烯的结构、C70的结构、其他富勒烯： C70、C76、C78、C82、C84、C240、C330以及C600-C700之间的簇。C70具有5个独立碳富勒烯：C702.72eVC762.88eV的电子亲和力，C783.1eV随着原子量的增加而增加。高碳富勒烯的合成和分离是富勒烯研究的热点。制备方法：激光蒸发石墨法石墨电弧放电法太阳能蒸发石墨法石墨高频电炉加热蒸发法苯火焰燃烧法萘热解法有机合成法。富勒烯的制备、分离和纯化可以得到C60和C70，分子量较大，数量较少。石墨电弧放电法：的高产率是主要方法。引弧电流：交流电或直流电(100-200安)的原理在：石墨电极之间形成电弧。电弧放电过程蒸发石墨。在高温下，碳原子或石墨碎片相互碰撞并结合，从而产生各种富勒烯分子。富勒烯的纯化、分离和纯化，所获得的初级产物包括富勒烯。纯化方法如碳纳米管和无定形碳：升华和有机溶剂萃取，其中最常用的是有机溶剂萃取法，溶剂：甲苯、己烷和庚烷：C60、C78、C84、C90、C96吡啶或1，2，3，5-四甲基苯：直至C466，分离和纯化方法：液相色谱法，具有增加色调的升华法，气相分离和蒸发，其中液相色谱法是最常用的固定相：斯科特，科学，2002:295 (5559)。1500-1503有机共轭芳烃的合成与组装和功能性碳团簇化学，王朝晖(化学研究所)，2.1.3纳米颗粒，纳米尺寸的超细颗粒其尺寸大于原子团簇并小于正常微米(尺寸一般为1 100纳米)，2.2.1。超细粒子，超细粒子：为1 1000纳米(主要为1 100纳米)，纳米粒子是肉眼和普通显微镜无法观察到的微观粒子。血液中红细胞的大小为33，360，200 300纳米，普通细菌的长度为200 600纳米，病毒的大小为几十纳米。纳米粒子只是红细胞和细菌大小的一小部分，大约和病毒一样大或略小。一般来说，只有电子显微镜才能用于观察。这就是为什么日本名古屋大学的信谷二号相信纳米粒子：可以用电子显微镜看到的粒子被称为纳米粒子。当粒子尺寸在纳米水平时，它具有：的量子尺寸效应。宏观量子隧穿效应的表面效应显示出许多独特的性质，在催化、光吸收、医药和新材料方面具有广阔的前景。因此，一些人试图将纳米粒子与基本粒子、原子核、原子、分子、大质量物质、恒星、星系等进行比较。他们认为原子团簇和纳米粒子是从微观世界到宏观世界的过渡区域，许多生物活动都是由它们产生和发展的。事实上，早在1861年，随着胶体化学的建立，科学家们就开始研究纳米粒子系统。然而，在过去，它们只注意它们的化学行为，并在20世纪80年代初开始注意它们的物理性质。在过去的20年里，他们在各种纳米粒子的制备、性能和应用方面做了大量的工作，并取得了一系列有益的成果，尤其是对由纳米粒子组成的一维、二维和三维纳米结构材料的研究取得了前所未有的进展。不同形状的0维纳米结构单元，2.1.4人工原子人工原子(arthronal atom):是由一定数量的尺寸小于100纳米的实际原子组成的集合体。人们可以称半导体量子点为人工原子。后来，人们从维度的角度进一步拓展了人工原子的内涵，包括零维量子点、准一维量子棒和二维量子盘。甚至约100纳米的量子器件也被认为是人造原子。人造原子具有离散的能级，电荷是不连续的。电子也在人造原子的轨道上运动，这是非常真实的原子可以用球体和立方体来描述。人造原子有多种形状和对称形式。人造原子不限于这些简单的形状。除了高度对称的量子点之外，对称性低、形状复杂且小于100纳米的小系统也可以称为人工原子。人造原子和真实原子的区别在于：三。人造原子中电子之间的强相互作用比真实原子更复杂。随着人造原子中真实原子数量的增加，电子轨道间距减小，强库仑排斥、系统约束效应和泡利不相容原理使电子自旋有序排列在同一个方向。因此，人工原子是多电子系统。实际原子中的电子被原子核吸引到轨道上。人工原子中的电子在抛物线势阱中，有向势阱底部下落的趋势。由于库仑排斥，一些电子处于势阱的上部，弱束缚是它们具有自由电子的特性。人造原子也有一个主要特征：是放入一个电子或取出一个电子，这很可能引起电荷波动。放入电子相当于充电。这种现象是设计单电子晶体管的物理基础。2020/6/7，36，2.2一维纳米结构纳米管、纳米棒、纳米线和同轴纳米电缆。自20世纪80年代以来，零维材料取得了巨大进展，但准一维纳米材料的制备和研究仍然面临巨大挑战。自从日本三雄公司和其他公司在1991年发现碳纳米管以来，它立即引起了科学界的极大关注。因为准一维纳米材料在介观领域和纳米器件开发中具有重要的应用前景。它可用作连接超大规模集成电路中的光纤微电子学中的微钻复合材料的增强剂。)。目前，关于一维纳米材料的研究有很多报道。我们主要介绍：碳纳米管纳米棒纳米线同轴纳米电缆纳米带，2020/6/7，39，2.2.1碳纳米管，碳纳米管因其独特和潜在的结构、电学和力学特性而备受关注。碳纳米管具有：1 .非常高的杨氏模量和拉伸强度，2 .根据其螺旋度和直径的不同，可以显示金属、半导体和半金属使用单个或大量碳纳米管的上述特性，人们已经开发出先进的扫描探针、纳米电子器件和场发射电子源。2.2.1.1发展公司1970年，直径为7纳米的碳纤维首先在法国恩多用气相法生长。不幸的是，他没有仔细观察和描述这些碳纤维，发现它们是管状的。1991年，美国科学家设计了碳纳米管的电子结构，但认为在不久的将来不可能合成碳纳米管。同年1月，日本的赖斯岛首次与HRTEM一起观察到碳纳米管。这些碳纳米管是多层同轴管，也称为巴基管(Buckytube)，位于硫磺岛。几乎与此同时，莫斯科化学研究所也独立发现了碳纳米管和纳米管束。1996年，斯马利和其他人合成了对齐的单臂碳纳米管束。我们的物理研究所实现了碳纳米管的定向生长，并合成了毫米大小的碳纳米管。2003年5月，清华大学吴德海等人合成了几十厘米长的连续纳米管道。CNANOTUBESCI。2003，296，884，(I)结构多层碳纳米管通常由几个到几十个同轴的单壁碳纳米管组成，间距约为0.34纳米，相当于石墨的0002平面间距。碳纳米管、单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、碳纳米管的2.2.1.2结构、合成、性能和应用具有0.4纳米至几十纳米的直径和通常几十微米至几十厘米的长度，两端被碳原子的五边形覆盖。单壁碳纳米管可以有三种类型的结构：单壁纳米管和锯齿形纳米管手性纳米管。这些类型的碳纳米管的形成取决于碳原子六边形晶格的二维石墨是如何卷成管状的。电弧放电法和激光蒸发法是获得高质量的主要方法然而，当反应温度超过3000时，固体碳蒸发成碳原子，这限制了合成碳纳米管的数量，并且使得难以将生产规模扩大到千克水平。(2)碳纳米管的合成。其次，生成的碳纳米管的形态与催化剂的其他碳形态或金属元素高度缠结和混合。纯化和组装这些碳纳米管以构建碳纳米管器件结构是非常困难的。近年来，化学气相沉积(CVD)已被用于控制多壁碳纳米管在衬底上的生长。碳氢化合物在金属催化剂上的化学气相沉积是制备各种碳纤维和多壁碳纳米管的经典方法，其生长温度通常为500-1000。首先，过镀金属(铁、钴、镍)催化剂颗粒吸收并分解碳化合物。碳和金属形成碳-金属体，通过化学气相沉积来沉积。然后碳原子从过饱和的催化剂颗粒中沉淀出来。为了促进碳纳米管的合成，金属纳米催化剂通常由具有大表面积的材料支撑。例如，催化剂/SiO 2或2 o 3，1，5元环-7元环缺陷沉积生长(a) m endo等，j phys chem 1992，96，6941。(b) r saito等人，chem phys. lett.1992，195，537.2，层层唇-脂相互作用生长(a) t. guo等人，j. phys. chem.1995，99，10694。(b) j. c. charlie retal。science 1997，275，647.3，step flow o. a. louchetal .Appl.Phys.Lett.1999，72，194.4，tip growth (a) s.iijima，phys.rev.letter.1992，69，3100. (b) c.h.kiang等人，phys.rev.letter.1996，76，2515.5，base growth (a) w.z.lietal，science 1996，274，1701 .c. laurent et al. newj.chem.1998，22，1229.6 .挤压模式。化学。1998，22，1229。各种增长模式，7。范寿山院士：13C同位素标记，多层多壁碳纳米管同时从催化剂上生长，证明了“帽”生长的合理性。化学。足球。2001，123，11503。vls(气-液-固)生长模型示意图，关键特征：体相扩散，“帽”生长