《纳米材料》 课件 2 纳米材料的基本理论.pptx

第二章纳米结构基本单元及理论

第一节基本纳米结构单元

01按维数分类基本纳米结构单元是指构成纳米结构的块体、薄膜以及多层膜的组成单元。主要包括：原子团簇、纳米微粒、人造原子、纳米线、纳米管、纳米棒、纳米纤维、纳米环、同轴纳米电缆、纳米薄膜、多层膜以及超晶格等。它们的共同特点是至少有一维的尺寸在纳米尺度的范围内。基本纳米结构单元

2.1.1零维单元

01三维空间都在纳米尺度范围内的纳米颗粒。零维单元原子团簇nanocluster纳米微粒nanoparticle人造原子Artificialatom

02原子团簇是指由几个到几百个原子形成的聚集体，其粒径尺度通常小于1nm，是介于单个原子与固态之间的原子集合体。一般来讲，团簇的尺寸范围包括：2~20个原子组成的小团簇，20~300个原子组成的中等团簇和300~105原子数的大尺寸团簇。1.原子团簇

03具有核壳特征（即幻数特征）。基本性质-对于C（碳）的团簇，幻数小于30时为奇数，如3、11、15、19、23等，大于30时为偶数，如60、70、78、80等。

04具有极大比表面积。因此具有异常高的化学和催化活性。基本性质

05根据团簇的成分组成可以分为：金属团簇，如：Nan，Nin等一元团簇：碳族，如C60，C70;非金属团簇非碳族，如S，Si，P等二元团簇：如FenSm，AgnSm；多元团簇：如HCnN，Vn(C6H6)m。与常见的形状大小确定的原子以及周期性强的晶体不同，原子团簇并没有固定的形状。分类

06重构对于尺寸较小的团簇，每增加一个原子，团簇的结就会发生变化。团簇的这种结构变化称为重构。临界尺寸而当团簇大小到达一定尺寸时，形成块状固体结构，此时除了表面原子存在驰豫外，增加的原子不在发生重构研究问题

07能带结构的发展研究问题硅团簇的电子能级随团簇尺寸的变化

08纳米微粒是指颗粒尺寸为纳米量级的超微颗粒，粒径一般在1-100nm之间。它的尺寸大于原子团簇。纳米微粒所含原子数目的范围为103-107个，有时称为纳米颗粒、纳米粒子或纳米粉等。2.纳米微粒

09极低熔点常规的Ag熔点为1173K，纳米Ag熔点降到了373K常规Al2O3（三氧化二铝）烧结温度为2073-2173K，纳米Al2O3微粒烧结温度则为1423-1773K性质

10超顺磁性当纳米微粒尺寸小到一定临界值时会进入超顺磁状态。矫顽力（HC）饱和磁化后，当外部磁场退回到零时其磁感应强度B并不退到零，只有在原磁化场相反方向加上一定大小的磁场才能使磁感应强度退回到零，该磁场称之为矫顽磁场。性质

11纳米微粒的尺寸高于超顺磁临界尺寸时通常会呈现出较高的矫顽力。性质Fe纳米微粒矫顽力与粒径温度之间的关系

12纳米微粒的磁性与所含的总电子数的奇偶性密切相关。性质?

13光学性质：（1）宽频带强吸收：由于纳米粒子大的比表面导致了平均配位数下降，不饱和键和悬键增多，对可见光的反射率降低。（2）蓝移和红移：纳米微粒的吸收带普遍会移向短波方向称为“蓝移”纳米微粒的吸收带普遍会移向长波方向称为“红移”性质

14人造原子尺寸小于100nm。由于量子局限效应会导致类似原子的不连续电子能级结构，因此也称为“量子点”。3.人造原子碳量子点TEM图

2.1.2一维单元

01空间三维尺度中有两维在纳米尺度范围内，包括纳米管、纳米线、纳米棒和同轴纳米电缆等。一维单元碳纳米管纳米棒Si米线

02米管是指截面为管状的一维纳米结构。单壁碳纳米管由一层碳原子构成的，直径在几个纳米范围的管。多壁碳纳米管可视为“同轴多层碳圆柱体的组装体”纳米管

03纳米线：纵横比大，截面为圆形。纳米棒：纵横比(长度与直径的比率)小，截面为圆形。一般小于20。纳米线和纳米棒

04同轴纳米电缆是指直径为纳米级电缆，其芯部通常为半导体的纳米丝，外部包覆异质纳米壳体（导体、半导体或绝缘体），外部的壳体和内部的芯线是共轴的。同轴纳米电缆

2.1.3二维单元

01空间三维尺度中有一维在纳米尺度范围内，包括纳米薄膜和超晶格等。二维单元纳米薄膜超晶格

分类按用途分：纳米功能薄膜（光、电、磁等）纳米结构薄膜（机械方面的性能）按功能分：磁性薄膜、纳米光学薄膜、纳米气敏薄膜等按结构分：含有纳米颗粒与原子团簇的基质薄膜。