纳米材料与技术- 纳米结构单元.doc

第一章纳米结构单元
一、零维单元
(cluster)


二、一维单元

、丝、线



一、零维单元
(cluster)
(1)定义:是一类化学物种,指几到几百个原子的聚集体,粒径尺度小于1nm。是介于单个原子与固态之间的原子集合体。
(2)组成:一元(含金属、非金属团簇),二元及多元原子团簇,原子团簇化合物
(3)结构:以化学键紧密结合(除惰性气体外),球状、骨架状、四面体、葱状及线、管、层状等。
(4)物理性质:表面效应、量子尺寸、几何尺寸效应、掺杂物性等
(5)研究:多学科交叉
% C60:寻找星际间分子而发现

:超微粒子(ultra-fine particle)
(1) 定义:尺寸在nm量级的超细微粒,尺度在1~100nm之间,大于原子团簇,小于通常的微粒。
尺寸为红血球和细菌的几分之一,与病毒大小相当。
“要用TEM才能看到的微粒。”
(2) 性质:由微观到宏观世界的过渡区域,具有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等。
特殊的微观机制→影响宏观性质
(生物活性由此产生)
(3)  研究:制备、合成和应用。
(artificial atom, super-atom)
(1) 定义:尺寸小于100nm的、由一定数量的实际原子组成的聚集体。
包括:准0维的量子点、准1维的量子棒、
准2维的量子圆盘、及100nm左右的量子器件
(2) 特性:(量子效应)
i) 与原子相似之处:a. 离散的能级和电荷
b. 电子填充服从洪德定律
ii) 与原子的差别:
a. 含有一定数量的原子
b. 形状、对称性多种多样
c. 电子间的相互作用复杂
d. 电子在抛物线形的势阱中,上层电子束缚弱
(3) 应用:体系的尺度与物理特征量相当
量子效应→新原理、新结构
二、一维单元
(Bucky Tube 巴基管)
发现:1991年,日本电气公司(NEC)高级研究员、名城大学教授饭岛澄男(Sumio Iijima)利用透射电镜首次观察到碳纳米管。它是由石墨薄片(碳原子排列成六角网状)卷成的具有螺旋周期的管状构造。管子一般由多层组成,两端封闭,直径在几纳米至几十纳米之间,长度为数微米,甚至毫米。
(1)结构(石墨片卷曲,1/2富勒烯封顶)
nm ~ 几十nm,长度一般是几十nm至数微米,甚至毫米级。
Ø 单壁纳米碳管(Single walled carbon nanotubes, SWNTs)
: 含有一层石墨烯片层。直径一般为1-6 nm, nm。因为最小直径与富勒烯分子类似,也称为富勒管或巴基管(Bucky tube)。
Ø 多壁纳米碳管( Multi-walled carbon nanotubes, MWNTs):含有多于一层的石墨烯片层。,直径在几个纳米到几十纳米。
Ø 碳纳米纤维( Carbon nanofibers, CNFs):结构和性能处于普通碳纤维和纳米碳管的过渡状态。它由两种不同结构的碳组成,内层是结晶石墨片层(即纳米碳管),外层