零维纳米材料

零维纳米材料邱松材化07级20071501170摘要：概括讲述零维材料的各种类型，合成方法，性能和应用以及展望。总述零维纳米结构单元的种类有多样，常见的有纳米粒子(Nano-particle)、超细粒子(Ultrafineparticle)、超细粉(Ultrafinepowder)、烟粒子(Smokeparticle)、人造原子(Artificialatoms)、量子点(Quantumdop)、原子团簇(Atomiccluster)、及纳米团簇(Nano-cluster)等，不同之处在于尺寸范围。零维纳米结构材料有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应、宏观量子效应等。有关这些基本的物理、化学性质，对于零维纳米材料的研究与应用极为重要。一、原子团簇原子团簇是20世纪80年代发现的，指几个至几百个原子的聚集体(粒径小于或等于1nm),如Fen,CunSm,CnHm(n和m都是整数)和碳簇(C60、C70、富勒烯)等。原子团簇有许多奇异的特性，如具有幻数效应、原子团尺寸小于临界值时的“库仑爆炸”、原子团逸出功的震荡行为、极大的比表面使它具有异常高的化学活性和催化活性、光的量子尺寸效应和非线性效应、C60掺杂及掺包原子的导电性和超导性、碳管和碳葱的导电性等。1、碳原子团簇1985年，斯摩雷(R.E.Smalley)与英国的科洛托(H.W.Kroto)等在瑞斯大学的实验室采用激光轰击石墨靶，并用苯来收集碳团簇，用质谱仪分析发现了由60个碳原子构成的碳团簇丰度最高，同时还发现了C70等团簇。C60分子的结构像足球而被称为“足球烯”（由12个五边形环和20个六边形环组成的球形32面体），它有无数优异的性质：它本身是半导体，掺杂后可变成临界温度很高的超导体，由它衍生出来的碳微管比相同直径的金属强度高100万倍。C70原子团簇的结构与C60类似，呈椭圆球结构，被称为“橄榄球”由12个五边形环和25个六边形环组成的37面体。构成碳团簇的原子数称为幻数，当它为20、24、28、32、36、50、60、70时具有高稳定性，其中又以C60最稳定。所以，可以用酸溶去其他的碳团簇，从而获得较纯的c60。二、人造原子人造原子又称为量子点，是20世纪90年代提出的新概念。所谓人造原子是由一定数量的实际原子组成的聚集体，尺寸小于100nm.1996年麻省理工学院的阿休理（Ashoori）在一篇综述中，正式提出人造原子的概念。1997年，加利福尼亚大学物理系的迈克尤恩（McEuen）把人造原子的内涵进一步扩大，从维数来看，包括准零维的量子点、准一维的量子棒和准二维的量子圆盘，甚至把100nm左右的量子器件也看成人造原子。人造原子与真正原子的运动行为特征和电学性质既相互联系又相互区别。相似之处：（1）人造原子有离散的能级，电荷也是不连续的，电子在人造原子中也是以轨道的方式运动，这与真正的原子极为相似；（2）电子填充的规律也与真正原子相似，服从洪德法则，地1激发态存在三重态。差别：（1）人造原子含有一定数量的真正原子；（2）人造原子的形状和对称性是多种多样的，真正的原子则可以用简单的球形和立方形来描述；（3）人造原子电子间强交互作用比实际原子复杂得多，随着人造原子中真正原子数目的增加，电子轨道间距减小，强的库仑排斥和系统的限域效应及泡利不相容原理使电子自旋朝同样方向进行有序排列；（4）实际原子中电子受原子核吸引做轨道运动，而人造原子中电子处于抛物线形的势阱中，具有向势阱底部下落的趋势，由于库仑排斥作用，部分电子处于势阱上部，弱的束缚使它们具有自由电子的特征。三、纳米粒子纳米粒子又称为纳米粉末，一般是指粒度在100nm以下的固体粉末或纳米颗粒。纳米粒子一般为球形或类球形。纳米粒子既具有宏观体相的元胞和键合结构，又具备块体所没有的崭新的物理化学性能。1、纳米粒子的制备纳米粒子的制备方法可分为两大类“自下至上”法，或称构筑法；“从上至下”法，或称粉碎法。其中