纳米技术及其应用-第二章.ppt

1、人造原子,团簇与纳米微粒,回答三个问题： 1、什么是原子团簇？ 2、纳米微粒的尺寸一般定义在什么范围？纳米微粒的特性与其相应的块体材料是否完全相同？为什么？ 3、人造原子与实际的原子有什么异同点？研究人造原子有什么意义？,2.1 原子团簇,Back,2.2 纳米微粒,2.3 纳米管、纳米棒、纳米丝、同轴纳米电缆和纳米带,2.4 人造原子,2. 1 原子团簇,Back,1）概念,（1）原子团簇是什么？ 原子团簇的粒径小于或等于1nm，是由几个至几百个原子组成的聚集体，是一类新发现的化学物种。 （2）它是分子吗？ No. 分子具有特定大小和形状,而原子团簇形状多种多样。 （3）它是分子团簇吗？ N

2、o. 分子团簇里分子和分子之间是弱的结合力，而原子团簇里原子之间是强的化学键结合的。 （4）它是晶体吗？ No. 晶体的周期性很强,而原子团簇尚未形成规整的晶体。,原子团簇的许多性质既不同于单个原子、分子，也不同于固体和液体，也不能用两者性质作简单线性外延和内插来得到。 团簇可看成是介于原子、分子与宏观物质之间的物质结构的新层次，是各种物质由原子、分子向大块物质转变的过渡状态。 也可以说，原子团簇代表着凝聚态物质的初始状态，有人称之为“物质的第五种状态”。原子团簇具有量子尺寸效应和幻数效应。,Fen,CunSm,CnHm,C60,C70,原子团簇的形状：,多种多样！,线状、层状、管状、洋葱状、

3、骨架状、球状,原子团簇的原子间是以强化学键紧密结合在一起的,1）原子团簇概念总结,原子团簇是一类新发现的化学物种，是指粒径小于或等于1nm，由几个至几百个原子组成的聚集体，它不同于： 具有特定大小和形状的分子 分子间以弱的结合力结合的松散分子团簇 周期性很强的晶体 原子团簇的形状可以是多种多样的，它们尚未形成规整的晶体，除了惰性气体（范德瓦尔斯键）外，它们都是以化学键紧密结合的聚集体。,2）幻数：,在团簇质谱分析中，有某些特殊原子数的团簇的强度呈现峰值，表明具有这些特定原子（分子）数目的团簇具有特别高的热力学稳定性，所含的原子数称为原子团簇的“幻数”。,Xe团簇的质谱（所标数字为幻数）,构成原

4、子团簇的原子数称为幻数。,碳簇的幻数有：20、24、28、32、36、50、60和70。,众多的碳簇中以C60最为稳定,3) 原子团簇的分类,一元原子团簇,二元原子团簇,多元原子团簇,金属团簇（如Nan, Nin等）,非金属团簇,碳簇（如C60, C70等）,非碳簇（如B簇、P簇、S簇、Si簇等）,2. 2 纳米微粒,Back,1）纳米微粒的概念,纳米微粒的尺度一般定义为1100nm。,纳米微粒的结晶状态:,纳米微粒的形貌:,晶态、非晶态、准晶态等等,以球形和类球形为主，形貌多种多样,纳米微粒仅仅是大块物质的尺寸缩小吗？,2）纳米微粒的特有性质,当颗粒尺寸小到纳米量级的时候，就会产生一些不同于

5、传统固体的特有性质。纳米微粒的热、磁、光、敏感特性和表面稳定性等不同于正常的粒子（由此便产生了纳米微粒的许多新的应用前景）。,a.纳米微粒的熔点、开始烧结温度和晶化温度均比常规的粉体要低得多。,b. 纳米微粒奇异的磁特性主要表现在它具有超顺磁性或者高的矫顽力。,c. 纳米微粒具有大块物体所不具备的新的光学特性。,纳米微粒这些奇异的特性均归因于纳米微粒的几大效应：量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应，而由此产生的这些新的特性，又使得纳米微粒在催化、滤光、光吸收、医药、磁介质及新型材料等方面具有广阔的应用前景。,GO,1、常规银的熔点为1233K（约960），纳米银的熔点呢？, 纳

6、米银微粒的熔点可以低于373K！(100oC),2、大块铅的熔点为600K，而20nm球形铅微粒的熔点呢？, 20nm球形铅微粒的熔点低于288K！ (15oC),3、为什么纳米微粒熔点急剧下降？,体积小! 由于颗粒小，纳米微粒表面原子数多，表面能高。表面原子近邻配位不全，活性大，而纳米微粒体积远远小于大块体材料，因此纳米微粒熔化时所增加的内能小得多，所以纳米微粒熔点急剧下降。,一、纳米微粒的熔点,二、纳米微粒的烧结温度降低,三、纳米微粒的晶化温度降低,常规的氧化铝烧结温度在19732073K，而纳米氧化铝可以在14231673K之间烧结，致密度可达99.0以上。 常规Si3N4烧结温度高于2

7、273K，纳米氮化硅烧结温度降低400-500K。,纳米微粒尺寸小到一定的临界值时进入超顺磁状态 。,镍微粒的矫顽力与颗粒直径d的关系曲线,超顺磁状态的起源是什么？,由于在小尺寸下，当各向异性能减小到与热运动能可向比拟时，磁化方向就不再固定在一个易磁化方向上，磁化方向将呈现超起伏，结果导致超顺磁性的出现。不同种类的纳米粒子呈现超顺磁的临界尺寸是不相同的。然而，当纳米微粒尺寸高于超顺磁临界尺寸并处于单畴状态时，通常呈现高的矫顽力。,宽频带吸收 纳米金属粒子呈现黑色。,蓝移现象 纳米碳化硅颗粒和大块碳化硅固体的峰值红外吸收波数分别为814cm-1和794 cm-1 。,纳米微粒可出现常规材料没有的

8、新的发光现象 1990年，日本佳能公司: 6nm硅颗粒 室温观察到波长800nm附近有一强发光带，当粒径大于6nm这种发光消失。随着尺寸减小，4nm Si 发光带的短波侧已延伸到可见光范围。,纳米微粒分散物系的光学性质 溶胶；丁达尔效应,2.3 纳米管、纳米棒、纳米丝、同轴纳米电缆 和纳米带,Back,碳纳米线,同轴纳米电缆,(Y.Deng, et al. J. Phys. Chem. Solids 2003,64,607),半导体ZnO纳米带,“纳米带”的横截面是一个窄矩型结构，带宽为30至300纳米，厚5至10纳米，而长度可达几毫米。,（Wang Z. L., et al. Science

9、, 2001, 291, 1947）,2.4 人造原子,Back,人造原子是20世纪90年代提出来的一个新概念，有时称为量子点。,人造原子是由一定数量的实际原子组成的聚集体，它们尺寸小于100nm。,研究人造原子的意义,当体系的尺度可以与物理的特征量相比拟时，量子效应十分显著。人造原子中电子的波动性得到充分发挥，电子不能再被看成经典粒子。当大规模集成电路细化到100nm左右，传统观念、原理将不再适用，量子力学原理将起重要作用, 电子在这样一个细微体系（人造原子）中的运动规律，经典物理学将难以解释。,人造原子与真正原子的异同点,两个类似点：,1）人造原子有离散的能级，电荷也是不连续的，电子在人造

10、原子中是以轨道的方式运动，这与真正原子极为相似。 2）电子填充的规律与真正原子相似，服从洪德（Hund）定则。（注：最多轨道原则）,五个不同点：,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多种多样，真正的原子可以用简单的球形和立方形来描述，而人造原子不局限于这些简单形状。除了高对称性的量子点外，凡是尺寸小于100nm的低对称性复杂形状的微小体系都可以称为人造原子;,3)人造原子电子间强的交互作用比实际的原子要复杂得多，随着人造原子中原子数目的增多，电子轨道间距减小，强的库仑排斥和系统的限域效应和泡利不相容原理使电子自旋朝着同样的方向进行有序排列;,4) 实际原子中电子受原子核吸引作轨道运动，而人造原子中电子是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