第二章纳米结构单元分解.ppt

第二章 纳米结构单元 教学目的：了解组成纳米结构的基本组成单元。 重点内容： 1、掌握基本概念 团簇、纳米微粒、量子点、量子线、量子阱、人造原子、纳米管、纳米带、纳米电缆、一维纳米材料。 2、富勒烯和纳米碳管的结构和性质。 3、富勒烯和纳米碳管的制备方法。 ?难点内容：富勒烯和纳米碳管的制备方法。 熟悉内容: 了解纳米结构单元之间的区别。 人造原子与真正原子的相似和不同之处。 富勒烯和纳米碳管的发现史。 主要英文词汇： Cluster, nanoparticle, quantum dot, artificial atom, one-dimensional nanomaterials, nanorod, nanowire, nanotube, nanofiber, nanocable, nanospring，nanobelt, nanoribbon. 第二章 纳米结构单元 构成纳米结构块体、薄膜、多层膜以及纳米结构的基本单元有下述几种： 团簇，纳米微粒、人造原子、纳米管、纳米棒、纳米线、纳米纤维、纳米带、纳米环、纳米螺旋和同轴纳米电缆等。它们至少有一维尺寸非常小。 纳米结构使电子波函数产生量子干涉效应从而影响系统的输运性质，一个重要的表现是尺寸效应引起电子能级的量子化。 对于一个三个方向都不受限制的电子，设kx,,ky,kz是三个方向的平面波波矢。电子态所对应的电子能量是kx,,ky,kz的函数。 这三项分别为电子在三个方向上的动能，在 kx,,ky,kz从负无穷到正无穷变化时可以取连续的数值。 尺寸减小到边界条件：平面波变为驻波，对应的波矢只能取当在一个方向x上将电子态限制在 则边界上波函数必须为0，波函数在该方向上波函数取间断的数值 n为整数，该方向上的动能也只能取间断的数值即0， ，…. 这就是由尺寸所引起的电子态能级的量子化----量子尺寸效应 因为纳米单元往往具有量子性质，所以对零维、一维和二维的基本单元分别又有量子点、量子线和量子阱之称。 量子阱： 是指载流子在两个方向（如在X,Y平面内）上可以自由运动，而在另外一个方向（Z）则受到约束，即材料在这个方向上的特征尺寸与电子的德布罗意波长或电子的平均自由程相比拟或更小。有时也称为二维超晶格。 量子线： 是指载流子仅在一个方向上可以自由运动，而在另外两个方向上则受到约束。也叫一维量子线。 量子点： 是指载流子在三个方向上的运动都要受到约束的材料体系，即电子在三个维度上的能量都是量子化的。也叫零维量子点。 电子能态密度与尺度的关系 § 2.1 团簇(cluster) 1 定义： 原子团簇是指几个至几百个原子的聚集体(粒径小于或等于l nm)。 它介于单个原子与固体之间。 其研究从20世纪70年代中期开始, 是多学科的交叉。 如Fen，CunSm，CnHm(n和m都是整数)和碳簇(富勒烯C60，C70等)等。 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，称为重构。 而当团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(不同电子态引起的原子平衡位置不同）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。 2 原子团簇的分类： （1）一元原子团簇，如：Nan, Nin，C60, C70 （2）二元团簇，如：InnPm, AgnSm （3）多元团簇，如：Vn(C6H6)m （4）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）。 形状多样化：线状、层状、管状、洋葱状、骨架状、球状等。 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（Magic Number）。 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，表明团簇也具有壳层结构（shell structure）。这与团簇的对称性和相互作用势密切相关。 幻数稳定团簇(magic cluster) 是指特定原子数目的团簇具有闭合的电子或原子壳层结构，因此稳定性极高。这里特定的原子数目称作幻数(magic number) 。 幻数是一系列分离的数。团簇中的原子个数只有等于幻数时,才会具有极高的稳定性。 3 原子团簇的奇异的特性： （1）极大的比表面。 （2）异常高的化学和催化活性。metal （3）光的量子尺寸效应和非线性效应。 （4）电导的几何尺寸效应。carbon （5）C60掺杂及掺包原子