納米結(jié)構(gòu)單元的種類及其制備、性質(zhì)原子團(tuán)簇課件

第二章：納米結(jié)構(gòu)單元的種類

及其制備、性質(zhì)1

團(tuán)簇2

納米顆粒3

納米管、納米棒、納米絲原子團(tuán)簇2.1原子團(tuán)簇的種類2.2原子團(tuán)簇的制備方法2.3原子團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)2.4原子團(tuán)簇的研究意義及用途2.5C60的制備、性能及應(yīng)用2.1原子團(tuán)簇的種類原子團(tuán)簇:

幾個(gè)至幾千個(gè)原子或離子通過(guò)物理或化學(xué)力結(jié)合，組成相對(duì)穩(wěn)定的微觀或亞微觀聚集體，其物理和化學(xué)性質(zhì)隨所含的原子數(shù)目而變化的聚集體，簡(jiǎn)稱團(tuán)簇(cluster)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

種類從原子種類數(shù)目分原子團(tuán)簇與其他分子以配位化學(xué)鍵結(jié)合形成的化合物。2.2原子團(tuán)簇的制備方法人工產(chǎn)生團(tuán)簇的基本方法：真空合成法氣相合成法凝聚相合成法2.2原子團(tuán)簇的制備方法真空合成法（濺射和2次離子發(fā)射）用幾至幾十keV載能粒子（離子或中性粒子）轟擊固體表面，使固體表面濺射出各種次級(jí)粒子－電子、離子、原子和團(tuán)簇等（入射粒子通常用惰性氣體原子或離子）濺射產(chǎn)生團(tuán)簇的原理2.氣相合成法2.2原子團(tuán)簇的制備方法氣相團(tuán)簇形成的條件：產(chǎn)生大量單體（單原子或雙原子分子）急冷過(guò)程（與惰性氣體原子碰撞或絕熱膨脹）而使單體冷卻單體聚集成簇或團(tuán)簇之間碰撞而長(zhǎng)大氣相團(tuán)簇產(chǎn)生方式：?jiǎn)误w在惰性原子的氣氛中聚集單體本身冷卻而生長(zhǎng)成團(tuán)簇(2)激光蒸發(fā)和激光熱解利用光學(xué)聚焦系統(tǒng)把激光聚焦到很小的區(qū)域，使焦耳級(jí)的能量作用到固體靶表面，靶表面微區(qū)溫度極高（可達(dá)上萬(wàn)度），發(fā)生離子發(fā)射或中性粒子蒸發(fā)，再用惰性氣體冷卻，聚集成團(tuán)簇。獲得難熔物質(zhì)的團(tuán)簇。激光蒸發(fā)原理示意圖氣相合成法(3)超聲膨脹用于制備范德瓦爾斯團(tuán)簇，特別是惰性氣體團(tuán)簇。使處在高壓的純凈氣體經(jīng)過(guò)一個(gè)小孔，向真空膨脹，即把氣體內(nèi)能轉(zhuǎn)換為橫向能量，從而冷卻下來(lái)，凝聚形成團(tuán)簇絕熱膨脹原理示意圖氣相合成法凝聚相合成法

目前，凝聚相合成主要是用化學(xué)法制備金屬，半導(dǎo)體和化合物分子團(tuán)簇，如膠體化學(xué)、水解、共沉淀、溶劑蒸發(fā)等。一般凝聚相合成法制備的團(tuán)簇直徑幾十到幾百納米。金屬離子酸性水溶液還原劑分離明膠納米金屬團(tuán)簇2CoCl2＋4NaBH4+9H2O

Co2B+4NaCl＋12.5H2＋3B(OH)3H2O:氧化作用NaBH4:還原作用原子團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)少數(shù)團(tuán)簇存在穩(wěn)定結(jié)構(gòu)與幻數(shù)惰性元素：Xe團(tuán)簇，n=7,13,19,55[Li7(7)Li7(6)F14]+C60固體的質(zhì)譜Xe團(tuán)簇的質(zhì)譜碳團(tuán)簇：n=20,24,28,32,36,50,60,70在團(tuán)簇質(zhì)譜分析中，含有某些特殊原子數(shù)的團(tuán)簇的強(qiáng)度呈現(xiàn)峰值，表明這些團(tuán)簇特別穩(wěn)定，所含原子數(shù)即為幻數(shù)。[Li(LiF)n]+,n=13,14堿金屬鹵化物團(tuán)簇：[Li7(7)Li6(6)F13]+含特定原子數(shù)金屬團(tuán)簇具有能量最低的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)團(tuán)簇Nan和Na+的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)原子團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)典型原子團(tuán)簇結(jié)構(gòu)石墨的結(jié)構(gòu)金剛石的結(jié)構(gòu)C60的結(jié)構(gòu)典型原子團(tuán)簇結(jié)構(gòu)同位數(shù)效應(yīng)Cu團(tuán)簇：Cu63100%,Cu6541.66%Cu團(tuán)簇的原子數(shù)具有奇偶性質(zhì)，具有奇數(shù)原子的團(tuán)簇具有較大的產(chǎn)額量子尺寸效應(yīng)在臨界尺寸以下，團(tuán)簇電子最低允許躍遷能量較大，大于臨界尺寸后，躍遷能逐漸接近大塊材料原子團(tuán)簇的性質(zhì)磁性平均有效磁矩隨團(tuán)簇尺寸增大而增加，鐵磁性物質(zhì)的團(tuán)簇具有超順磁馳豫光學(xué)性質(zhì)納米級(jí)的鐵原子團(tuán)簇對(duì)紅外輻射具有較好的吸收特性原子團(tuán)簇的性質(zhì)2.4原子團(tuán)簇的研究意義及用途模擬研究自然界的需要為新材料的制備開(kāi)辟了新的途徑宇宙分子和塵埃大氣煙霧和溶膠云層形成和發(fā)展天體演化大氣污染控制氣候人工調(diào)節(jié)利用團(tuán)簇紅外吸收系數(shù)、電導(dǎo)特性和磁化率的異常變化，某些團(tuán)簇超導(dǎo)臨界溫度的提高，用于制備新型敏感元件、貯氫材料、磁性液體、微波及紅外吸收材料、超導(dǎo)材料等。為量子和經(jīng)典理論研究提供合適的體系2.5C60的制備、性能及應(yīng)用C60的結(jié)構(gòu)特征除金鋼石、石墨外的碳的第3種同素異構(gòu)體，是當(dāng)前能大量制備及分離的團(tuán)簇1984年Kroto激光汽化石墨實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)又名富勒烯(fullerenes)、足球烯、布基球(Buckyballs)、碳籠烯二十個(gè)六面體、十二個(gè)五面體C60的制備激光蒸發(fā)法苯燃燒法含氬氣的氧氣中燃燒苯(或乙炔)化學(xué)合成法稠環(huán)化合物(萘、蒽、菲)真空低溫等離子體化學(xué)氣相沉積于以(100)晶面的硅單晶襯底聚合物薄膜中含C601kg苯3g(C60+C70)低壓燃燒器C60的性質(zhì)化學(xué)性質(zhì)C60具有缺電子的性質(zhì)，六元環(huán)間的雙鍵(30個(gè))為反應(yīng)的活性部位，因而可發(fā)生氫化、鹵化、氧化還原、環(huán)加成、光化與催化及自由基加成等多種化學(xué)反應(yīng)。氫化反應(yīng)C60＋Li+液氨＋正丁醇Birch反應(yīng)C60H18+C60H36(甲苯＋DDQ)中回流DDQ：二氯二氰對(duì)苯醌氟化C60C60F6、C60F42、C60F60(特氟隆球)高溫潤(rùn)滑劑表面可進(jìn)行化學(xué)修飾有機(jī)基團(tuán)接枝金屬鍵合作催化劑籠內(nèi)可裝填原子分子金屬離子可裝入C60籠中K、Na、Cs(銫)、La、Ca、Ba、Sr(鍶)C60的性質(zhì)1)研究團(tuán)簇的組成及電子構(gòu)型的規(guī)律、幻數(shù)和幾何結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性的規(guī)律；2)研究團(tuán)簇的成核和形成過(guò)程及機(jī)制，研究尺寸均一團(tuán)簇的制備方法3)研究金屬、半導(dǎo)體及非金屬和各種化合物團(tuán)簇的光、電、磁、力學(xué)、化學(xué)等性質(zhì)，它們與結(jié)構(gòu)和尺寸的關(guān)系，及向大塊物質(zhì)轉(zhuǎn)變的關(guān)節(jié)點(diǎn)；4)研究