納米材料導(dǎo)論復(fù)習(xí)PPT

自然界中的納米

人和動(dòng)物堅(jiān)硬牙齒的外表面，即牙釉質(zhì)，是由納米尺寸的微晶組成。

天體隕石的碎片和海洋中存在的亞微米膠體粒子，碳納米洋蔥

蜜蜂的定向

螃蟹的橫行—磁性粒子“指南針”定位作用的紊亂

海龜在大西洋的巡航—頭部磁性粒子的導(dǎo)航牙釉質(zhì)的顯微結(jié)構(gòu)，放大倍率為3萬(wàn)倍，其結(jié)構(gòu)表明牙釉質(zhì)內(nèi)由大量的納米晶組成。蓮花效應(yīng)—蓮花出污泥而不染荷葉葉面上存在著非常復(fù)雜的多重納米和微米級(jí)的超微結(jié)構(gòu)。表面上有許多微小的乳突，乳突的平均大小約為10微米，平均間距約12微米。而每個(gè)乳突有許多直徑為200納米左右的突起組成的。按結(jié)構(gòu)（維度）分(1)零維，指在空間三維尺度均在納米尺度，

(如納米顆粒)(2)一維，指在空間有兩維處于納米尺度，（如納米絲、納米棒、納米管等）(3)二維，指在三維空間中有一維在納米尺度，（如超薄膜，多層膜，超晶格等）(4)體相納米材料（由納米材料組裝而成）。(5)納米孔材料（孔徑為納米級(jí)）。納米材料的分類納米材料零維納米材料：納米粒子納米球納米蔥頭納米粉納米晶粒一維納米材料：納米線納米棒納米晶須納米管納米帶二維納米材料：納米薄膜納米殼納米圓盤納米喇叭納米花三維納米材料：納米多層膜納米格列納米多孔材料納米彈簧納米復(fù)合材料納米材料的特性

當(dāng)顆粒尺寸進(jìn)入納米數(shù)量級(jí)時(shí)，其本身和由它構(gòu)成的固體主要具有三個(gè)方面的效應(yīng)，并由此派生出傳統(tǒng)固體不具備的許多特性。（1）小尺寸效應(yīng)（2）表面效應(yīng)（3）量子尺寸效應(yīng)

1、納米微粒三個(gè)效應(yīng)（1）小尺寸效應(yīng)當(dāng)粒子的尺寸與光波波長(zhǎng)、電子的德布洛依波長(zhǎng)、超導(dǎo)相干波長(zhǎng)及激子玻爾半徑尺寸相當(dāng)或更小時(shí)，聲、光、電、磁、熱力學(xué)等特性均會(huì)呈現(xiàn)新的尺寸效應(yīng)。由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質(zhì)的變化稱為小尺寸效應(yīng)。對(duì)超微顆粒而言，尺寸變小，同時(shí)其比表面積亦顯著增加，從而產(chǎn)生如下一系列新奇的性質(zhì)。（2）表面效應(yīng)表面效應(yīng)是指納米粒子的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨著納米粒子尺寸的減小而大幅度地增加，粒子的表面能及表面張力也隨著增加，從而引起納米粒子性質(zhì)的變化。納米粒子具有許多懸空鍵，并具有不飽和的性質(zhì)，因此極易與其它原子結(jié)合而趨于穩(wěn)定。所以，納米粒子具有很高的活性。d比表面積表面原子表面能活性穩(wěn)定性金屬納米粒子自燃催化劑（3）量子尺寸效應(yīng)

當(dāng)粒子尺寸下降到某一值時(shí)，費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散能級(jí)的現(xiàn)象和納米半導(dǎo)體微粒存在不連續(xù)的最高被占據(jù)分子軌道和最低未被占據(jù)的分子軌道能級(jí)，能隙變寬現(xiàn)象均稱為量子尺寸效應(yīng)。

久保理論（公式）：

?

對(duì)于宏觀物體，它包含無(wú)限個(gè)原子(即導(dǎo)電電子數(shù)N

)，由上式可得能級(jí)間距

0，即對(duì)大粒子或宏觀物體能級(jí)間距幾乎為零；?

對(duì)納米微粒，所包含原子數(shù)有限，N值很小，這就導(dǎo)致有一定的值，即能級(jí)間距發(fā)生分裂。

一元原子團(tuán)簇金屬團(tuán)簇，如Nan,Nin等非金屬團(tuán)簇碳簇，如C60,C70非碳簇，如B,P,S,Si簇二元原子團(tuán)簇：如InnPm,AgnSm等多元原子團(tuán)簇：Vn(C6H6)m等從原子種類數(shù)目分從結(jié)合方式分范德華力：He、Ne、Ar、Ke、Xe離子鍵：LiFNaClCuBrCsI化學(xué)鍵：C60、金屬原子團(tuán)簇團(tuán)簇的種類金屬：電子對(duì)團(tuán)簇穩(wěn)定起主導(dǎo)作用，金屬團(tuán)簇的價(jià)電子為共有電子，堿金屬團(tuán)簇中的s電子為團(tuán)簇共有，各原子軌道結(jié)合成分子軌道，隨原子數(shù)增加分子軌道演變成能帶。相鄰團(tuán)簇的能量二級(jí)差分峰值出現(xiàn)在n=2、8、18、20、34、40等。電子滿殼層結(jié)構(gòu)時(shí)，其幻數(shù)為2、8、18、20、34、40、58、68、70、92、106等。堿金屬、堿土金屬團(tuán)簇的封閉殼層的原子數(shù)即為幻數(shù)OrderingofLevels:1s<1p<1d<2s<1f<2p<1g…

LevelClosings

(no.ofelectrons)2818203440

58…

281820344058Experimentalobservation新結(jié)構(gòu)－Au32籠子結(jié)構(gòu)非碳元素的富勒烯？第一個(gè)金屬元素籠子(金富勒烯)C60

Au32

金固體：密堆結(jié)構(gòu)對(duì)偶共同點(diǎn):單質(zhì)中空結(jié)構(gòu)高對(duì)稱性(Ih)大能隙Au32:1.6eVC60:1.7eV不同點(diǎn):非共價(jià)鍵金屬元素石墨16Whyhollow,notcompact?Goldelement:heavyrelativisticeffect(RE)RE:aromaticinnano-sizeAromaticity–2DSmallGoldnano-pieces:2DWhy32?GeometryElectronicShellsPart.

Au32

WhyExperimentalobservationElectronicshellsClosedshellsMagicnumbers2,8,18,20,34…Atomic-likeorbitalsS,P,DNon-singularityofpotential1S,1P,1DPart.

Au32ElectronicShellsNO32?TheoreticalcalculationsWhatspecialinAu32?SphericalshellwithemptycenterPart.

Au32ElectronicShells1S(2)1P(6)1D(10)1F(14)2S(2)1S(2)1P(6)1D(10)1F(14)2S(2)Inthismodel,32isthemagicnumber!32MeltingTemperatureofNanoparticles5-foldsymmetryNon-periodic!1τ1+ττ＝(1+√5)/2～1.61836゜72゜ABCADBCDABACACCD==ττ＝(1+√5)/2～1.618τ+1=τ2τ-1=1/τSelf-similarity

(irrational)5-foldsymmetryNon-periodicPenrosepatternShechtmanetal.Phys.Rev.Lett.,53,1951(1984)Long-rangeordered,aperiodiccrystalswithsharpdiffractionpeaks.Exhibitcrystallographicallyforbiddensymmetries(suchas5-,8-,10-or12-foldrotationalsymmetry)Lackperiodicity(nounitcell)in3dimensions.Thediffractionpatternscannotbeindexedwith3integers(6areneededforicosahedralQCs).Thestructurescanbedescribedasprojectionsfromahighdimensionalspace.QuasicrystalsUsingtheIndium-FlushtechniquetomakeInAs/GaAsquantumdotstacksmoreuniform:(a)and(b)arecross-sectionTEMimagesofshape-engineeredInAs/GaAsquantumdotsgrownat515oC,andc)andd)arethecorrespondingstate-fillingspectroscopy.StacksIndium-Flushedat5.0nmshowbetteruniformitythanstackswithnoIndium-Flush.TheGaAsspacersare10nm.Molecular

Beam

Epitaxy

(MBE,分子束外延生長(zhǎng))MBE–Self-assembledInitialstage–InAs(7%mismatch)growslayer-by-layer2Dmechanism.Strainedlayer–wettinglayerWhenamountofInAsexceedscriticalcoverage(misfit>1.8%),3DislandsareformedDifferenttypesofnanotubes(n,0)or(0,m)andhaveachiralangleof0°,armchairnanotubeshave(n,n)andachiralangleof30°,whilechiralnanotubeshavegeneral(n,m)valuesandachiralangleofbetween0°and30°.GeometryRollupVector(n,m)n-m=3dChiralAngletan(θ)=√3m/(2√(n2+m2+nm))ArmChair(n,n),θ=30○Zig-zag(n,0),θ=0○Chiral,0○<θ<30○Carbonnanotubes(Wiley,2004)Metalorsemiconductor?–(n-m)/3(10,0)semiconductor (9,0)metalquantizationin(n,0)n+1allowedlinesbetweenGandMGK=2/3 KM=1/3metals

(3,0),(6,0),(9,0),(12,0)…semiconductors

(2,0),(4,0),(5,0),(7,0)…generalcondition

metallicif

(n-m)/3=integerVapor-Liquid-solid(VLS)GrowthProcessSLS(solution–liquid–solid)VLSGraphene2DhexagonalcarboncrystallatticeInfiniteboundariesNaturallyoccurringMultilayeringraphiteNanospecsinsootfromexhaustCurrentlyoneofthemostresearchedmaterialsUniquephysicalandelectricalpropertiesWidearrayofpotentialusesFirsttrulytwo-dimensionalcrystallinematerialRepresentativeofawholeclassof2Dmaterials:BNandMoS2etc.PhosphoreneGrapheneBorophene2-DCrystalsSiliceneStanene(Tin)33MoS2(CH)nWSe2Ni3(HITP)22-DCompounds3435GrapheneBoropheneGermaneneSiliceneStanenePhosphoreneOrganic,Ni3(HITP)2MXenesBSCCO:Bismuth

strontium

calcium

copper

oxideSolarEnergySpectraldistributionofsolarradiation.Blackbodycurve5762KAM1solarspectrumAM0solarspectrum1353W/m237SolarEnergySpectrumPowerreachingearth1.37KW/m2383.1pn-junction05.02.2023NewGenerationSiliconSolarCellsBandstructurforn-doped andp-dopedsemiconductor beforecontactb) Bandstructureaftercontactc) Depletionarea3.2pn-junctionunderradi