纳米科学技术概论—提纲.doc

纳米(nanometer)是一个长度计量单位,
1纳米= 10-9 米
纳米科学技术:在纳米尺度,由于尺寸的限制,导致一些新奇现象的发生,从而使纳米材料和系统可以具有新的、或显著提高的物理、化学、生物的性能。一旦这些性能得以应用,将带来无数的新产品、新工艺、新技术和潜在的巨大利益。
纳米科学技术研究内容:研究尺寸在1--100纳米尺度上物质微粒(包括原子、分子)的结构、表征、性质及其相互作用,探索新现象和新特性(物理、化学和生物),并通过在该尺度上控制物质,创造新功能材料、新器件和系统的多学科科学技术。
纳米科学技术是高度交叉的多学科研究领域:物理、化学、生物、材料,力学,电子学等等
纳米尺度: 通常指1nm 到100nm之间
研究对象: 纳米材料或结构(包括原子、分子的操纵)的特性和相互作用
研究目标:以原子、分子及物质的纳米尺度上表现出来的新颖的物理、化学和生物学特性制造出具有特定功能的产品。
实现纳米结构的两种方法:
(Top-Down):
集成电路芯片的加工:通过薄膜沉积、光刻以及等离子刻蚀的方法实现需要的纳米结构。
2. 自下而上法(Bottom-up):
a. 原子与原子,分子与分子的叠加
用STM搬迁法把CO分子组装的人形结构(IBM)
原子及分子的自组装
采用自组装加工有机单层结构(Yale)
化学或生物工艺
化学工艺实现碳纳米管
构成纳米结构的基本单元有下述几种:
原子团簇,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。
共同特点:至少有一个维度上的尺寸处于纳米尺度
原子团簇
简称团簇,是由几个乃至上千个原子、分子或离子通过物理和化学结合力组成相对稳定的聚集体,其物理和化学性质随着所含的原子数目不同而变化。
稳定结构与幻数:
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称为团簇的幻数(Magic Number)
原子团簇实例--C60及富勒烯(fullerenes)
众所周知,碳晶体有两种同素异构体:
一种是金刚石;一种是石墨。无定型碳
SP3 SP2
C60的发现大大丰富了人们对碳的认识
1985年,Smalley与英国的Kroto等人在瑞斯(Rice)大学的实验室采用激光轰击石墨靶,使石墨中的碳原子汽化,用氦气流把气态碳原子送入真空室,迅速冷却后形成碳原子簇。
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,通称为C60,同时还发现C70等团簇。
获1996年诺贝尔化学奖。
用12个五边形、20个六边形组成了一个中空的32面体,五边形互不邻接,而是与五个六边形相接,每个六边形又与3个六边形和3个五边形
间隔相接,共有60个顶角,碳原子位于顶角上,是一个完美对称的分子
A、六元环的每个碳原子均以双键与其他碳原子结合,形成类似苯环的结构,它的σ键不同于石墨中sp2杂化轨道形成的σ键,也不同于金刚石中sp3杂化轨道形成的σ键,(s成分为30%,p成分为70%)形成的σ键。 nm。 nm.
B、C60的л键垂直于球面,含有10%的s成分,90%的p成分,。 nm。 nm.
C、C60中两个σ键间的夹角为106o,。
苯环 120o
D、由于C60的共轭π键是非平面的,环电流较小,芳香性也较差,但显示不饱和双键的性质,易于发生加成、氧化等反应,现已合成了大量的C60衍生物
碳纳米管(carbon nanotube)
碳纳米管(Carbon Nanotube,NT) 即管状的纳米级石墨晶体,是单层或多层石墨片围绕中心轴按一定的螺旋角卷曲而成的无缝纳米管。
根据制备方法和条件的不同,碳纳米管可以存在多壁碳纳米管(Mult-Walled Carbon Nanotube, MWNTs)和单壁碳纳米管(Single-walled Carbon Nanotubes, SWNTS)两种形式。
1991年,日本NEC公司的饭岛澄男(Iijima)等首次用HRTEM观察到了多壁碳纳米管(MWNTs),直径为2-30 nm,实质是多层同轴管, nm,也叫巴基管(Bucky tube)。
碳纳米管的结构:
高分辫透射电镜证明:多壁碳纳米管一般由几个到几十个单壁碳纳米管同轴构成,可以有直形、弯形、螺旋等不同外形。管间距为0.