1、人造原子,團簇與納米微粒,回答三個問題： 1、什么是原子團簇？ 2、納米微粒的尺寸一般定義在什么范圍？納米微粒的特性與其相應(yīng)的塊體材料是否完全相同？為什么？ 3、人造原子與實際的原子有什么異同點？研究人造原子有什么意義？,2.1 原子團簇,Back,2.2 納米微粒,2.3 納米管、納米棒、納米絲、同軸納米電纜和納米帶,2.4 人造原子,2. 1 原子團簇,Back,1）概念,（1）原子團簇是什么？ 原子團簇的粒徑小于或等于1nm，是由幾個至幾百個原子組成的聚集體，是一類新發(fā)現(xiàn)的化學(xué)物種。 （2）它是分子嗎？ No. 分子具有特定大小和形狀,而原子團簇形狀多種多樣。 （3）它是分子團簇嗎？ N

2、o. 分子團簇里分子和分子之間是弱的結(jié)合力，而原子團簇里原子之間是強的化學(xué)鍵結(jié)合的。 （4）它是晶體嗎？ No. 晶體的周期性很強,而原子團簇尚未形成規(guī)整的晶體。,原子團簇的許多性質(zhì)既不同于單個原子、分子，也不同于固體和液體，也不能用兩者性質(zhì)作簡單線性外延和內(nèi)插來得到。 團簇可看成是介于原子、分子與宏觀物質(zhì)之間的物質(zhì)結(jié)構(gòu)的新層次，是各種物質(zhì)由原子、分子向大塊物質(zhì)轉(zhuǎn)變的過渡狀態(tài)。 也可以說，原子團簇代表著凝聚態(tài)物質(zhì)的初始狀態(tài)，有人稱之為“物質(zhì)的第五種狀態(tài)”。原子團簇具有量子尺寸效應(yīng)和幻數(shù)效應(yīng)。,Fen,CunSm,CnHm,C60,C70,原子團簇的形狀：,多種多樣！,線狀、層狀、管狀、洋蔥狀、

3、骨架狀、球狀,原子團簇的原子間是以強化學(xué)鍵緊密結(jié)合在一起的,1）原子團簇概念總結(jié),原子團簇是一類新發(fā)現(xiàn)的化學(xué)物種，是指粒徑小于或等于1nm，由幾個至幾百個原子組成的聚集體，它不同于： 具有特定大小和形狀的分子 分子間以弱的結(jié)合力結(jié)合的松散分子團簇 周期性很強的晶體 原子團簇的形狀可以是多種多樣的，它們尚未形成規(guī)整的晶體，除了惰性氣體（范德瓦爾斯鍵）外，它們都是以化學(xué)鍵緊密結(jié)合的聚集體。,2）幻數(shù)：,在團簇質(zhì)譜分析中，有某些特殊原子數(shù)的團簇的強度呈現(xiàn)峰值，表明具有這些特定原子（分子）數(shù)目的團簇具有特別高的熱力學(xué)穩(wěn)定性，所含的原子數(shù)稱為原子團簇的“幻數(shù)”。,Xe團簇的質(zhì)譜（所標(biāo)數(shù)字為幻數(shù)）,構(gòu)成原

4、子團簇的原子數(shù)稱為幻數(shù)。,碳簇的幻數(shù)有：20、24、28、32、36、50、60和70。,眾多的碳簇中以C60最為穩(wěn)定,3) 原子團簇的分類,一元原子團簇,二元原子團簇,多元原子團簇,金屬團簇（如Nan, Nin等）,非金屬團簇,碳簇（如C60, C70等）,非碳簇（如B簇、P簇、S簇、Si簇等）,2. 2 納米微粒,Back,1）納米微粒的概念,納米微粒的尺度一般定義為1100nm。,納米微粒的結(jié)晶狀態(tài):,納米微粒的形貌:,晶態(tài)、非晶態(tài)、準(zhǔn)晶態(tài)等等,以球形和類球形為主，形貌多種多樣,納米微粒僅僅是大塊物質(zhì)的尺寸縮小嗎？,2）納米微粒的特有性質(zhì),當(dāng)顆粒尺寸小到納米量級的時候，就會產(chǎn)生一些不同于

5、傳統(tǒng)固體的特有性質(zhì)。納米微粒的熱、磁、光、敏感特性和表面穩(wěn)定性等不同于正常的粒子（由此便產(chǎn)生了納米微粒的許多新的應(yīng)用前景）。,a.納米微粒的熔點、開始燒結(jié)溫度和晶化溫度均比常規(guī)的粉體要低得多。,b. 納米微粒奇異的磁特性主要表現(xiàn)在它具有超順磁性或者高的矯頑力。,c. 納米微粒具有大塊物體所不具備的新的光學(xué)特性。,納米微粒這些奇異的特性均歸因于納米微粒的幾大效應(yīng)：量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)，而由此產(chǎn)生的這些新的特性，又使得納米微粒在催化、濾光、光吸收、醫(yī)藥、磁介質(zhì)及新型材料等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。,GO,1、常規(guī)銀的熔點為1233K（約960），納米銀的熔點呢？, 納

6、米銀微粒的熔點可以低于373K！(100oC),2、大塊鉛的熔點為600K，而20nm球形鉛微粒的熔點呢？, 20nm球形鉛微粒的熔點低于288K！ (15oC),3、為什么納米微粒熔點急劇下降？,體積小! 由于顆粒小，納米微粒表面原子數(shù)多，表面能高。表面原子近鄰配位不全，活性大，而納米微粒體積遠遠小于大塊體材料，因此納米微粒熔化時所增加的內(nèi)能小得多，所以納米微粒熔點急劇下降。,一、納米微粒的熔點,二、納米微粒的燒結(jié)溫度降低,三、納米微粒的晶化溫度降低,常規(guī)的氧化鋁燒結(jié)溫度在19732073K，而納米氧化鋁可以在14231673K之間燒結(jié)，致密度可達99.0以上。 常規(guī)Si3N4燒結(jié)溫度高于2

7、273K，納米氮化硅燒結(jié)溫度降低400-500K。,納米微粒尺寸小到一定的臨界值時進入超順磁狀態(tài) 。,鎳微粒的矯頑力與顆粒直徑d的關(guān)系曲線,超順磁狀態(tài)的起源是什么？,由于在小尺寸下，當(dāng)各向異性能減小到與熱運動能可向比擬時，磁化方向就不再固定在一個易磁化方向上，磁化方向?qū)⒊尸F(xiàn)超起伏，結(jié)果導(dǎo)致超順磁性的出現(xiàn)。不同種類的納米粒子呈現(xiàn)超順磁的臨界尺寸是不相同的。然而，當(dāng)納米微粒尺寸高于超順磁臨界尺寸并處于單疇狀態(tài)時，通常呈現(xiàn)高的矯頑力。,寬頻帶吸收 納米金屬粒子呈現(xiàn)黑色。,藍移現(xiàn)象 納米碳化硅顆粒和大塊碳化硅固體的峰值紅外吸收波數(shù)分別為814cm-1和794 cm-1 。,納米微?？沙霈F(xiàn)常規(guī)材料沒有的

8、新的發(fā)光現(xiàn)象 1990年，日本佳能公司: 6nm硅顆粒 室溫觀察到波長800nm附近有一強發(fā)光帶，當(dāng)粒徑大于6nm這種發(fā)光消失。隨著尺寸減小，4nm Si 發(fā)光帶的短波側(cè)已延伸到可見光范圍。,納米微粒分散物系的光學(xué)性質(zhì) 溶膠；丁達爾效應(yīng),2.3 納米管、納米棒、納米絲、同軸納米電纜 和納米帶,Back,碳納米線,同軸納米電纜,(Y.Deng, et al. J. Phys. Chem. Solids 2003,64,607),半導(dǎo)體ZnO納米帶,“納米帶”的橫截面是一個窄矩型結(jié)構(gòu)，帶寬為30至300納米，厚5至10納米，而長度可達幾毫米。,（Wang Z. L., et al. Science

9、, 2001, 291, 1947）,2.4 人造原子,Back,人造原子是20世紀(jì)90年代提出來的一個新概念，有時稱為量子點。,人造原子是由一定數(shù)量的實際原子組成的聚集體，它們尺寸小于100nm。,研究人造原子的意義,當(dāng)體系的尺度可以與物理的特征量相比擬時，量子效應(yīng)十分顯著。人造原子中電子的波動性得到充分發(fā)揮，電子不能再被看成經(jīng)典粒子。當(dāng)大規(guī)模集成電路細化到100nm左右，傳統(tǒng)觀念、原理將不再適用，量子力學(xué)原理將起重要作用, 電子在這樣一個細微體系（人造原子）中的運動規(guī)律，經(jīng)典物理學(xué)將難以解釋。,人造原子與真正原子的異同點,兩個類似點：,1）人造原子有離散的能級，電荷也是不連續(xù)的，電子在人造

10、原子中是以軌道的方式運動，這與真正原子極為相似。 2）電子填充的規(guī)律與真正原子相似，服從洪德（Hund）定則。（注：最多軌道原則）,五個不同點：,1) 人造原子含有一定數(shù)量的真正原子；,2)人造原子的形狀和對稱性多種多樣，真正的原子可以用簡單的球形和立方形來描述，而人造原子不局限于這些簡單形狀。除了高對稱性的量子點外，凡是尺寸小于100nm的低對稱性復(fù)雜形狀的微小體系都可以稱為人造原子;,3)人造原子電子間強的交互作用比實際的原子要復(fù)雜得多，隨著人造原子中原子數(shù)目的增多，電子軌道間距減小，強的庫侖排斥和系統(tǒng)的限域效應(yīng)和泡利不相容原理使電子自旋朝著同樣的方向進行有序排列;,4) 實際原子中電子受原子核吸引作軌道運動，而人造原子中電子是處于拋物線形的勢阱中，具有向勢阱底部下落的趨勢，由于庫