零維納米材料

零維納米材料邱松材化07級(jí)20071501170摘要：概括講述零維材料的各種類型，合成方法，性能和應(yīng)用以及展望。總述零維納米結(jié)構(gòu)單元的種類有多樣，常見(jiàn)的有納米粒子(Nano-particle)、超細(xì)粒子(Ultrafineparticle)、超細(xì)粉(Ultrafinepowder)、煙粒子(Smokeparticle)、人造原子(Artificialatoms)、量子點(diǎn)(Quantumdop)、原子團(tuán)簇(Atomiccluster)、及納米團(tuán)簇(Nano-cluster)等，不同之處在于尺寸范圍。零維納米結(jié)構(gòu)材料有量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、宏觀量子效應(yīng)等。有關(guān)這些基本的物理、化學(xué)性質(zhì)，對(duì)于零維納米材料的研究與應(yīng)用極為重要。一、原子團(tuán)簇原子團(tuán)簇是20世紀(jì)80年代發(fā)現(xiàn)的，指幾個(gè)至幾百個(gè)原子的聚集體(粒徑小于或等于1nm),如Fen,CunSm,CnHm(n和m都是整數(shù))和碳簇(C60、C70、富勒烯)等。原子團(tuán)簇有許多奇異的特性，如具有幻數(shù)效應(yīng)、原子團(tuán)尺寸小于臨界值時(shí)的“庫(kù)侖爆炸”、原子團(tuán)逸出功的震蕩行為、極大的比表面使它具有異常高的化學(xué)活性和催化活性、光的量子尺寸效應(yīng)和非線性效應(yīng)、C60摻雜及摻包原子的導(dǎo)電性和超導(dǎo)性、碳管和碳蔥的導(dǎo)電性等。1、碳原子團(tuán)簇1985年，斯摩雷(R.E.Smalley)與英國(guó)的科洛托(H.W.Kroto)等在瑞斯大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室采用激光轟擊石墨靶，并用苯來(lái)收集碳團(tuán)簇，用質(zhì)譜儀分析發(fā)現(xiàn)了由60個(gè)碳原子構(gòu)成的碳團(tuán)簇豐度最高，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)了C70等團(tuán)簇。C60分子的結(jié)構(gòu)像足球而被稱為“足球烯”（由12個(gè)五邊形環(huán)和20個(gè)六邊形環(huán)組成的球形32面體），它有無(wú)數(shù)優(yōu)異的性質(zhì)：它本身是半導(dǎo)體，摻雜后可變成臨界溫度很高的超導(dǎo)體，由它衍生出來(lái)的碳微管比相同直徑的金屬?gòu)?qiáng)度高100萬(wàn)倍。C70原子團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)與C60類似，呈橢圓球結(jié)構(gòu)，被稱為“橄欖球”由12個(gè)五邊形環(huán)和25個(gè)六邊形環(huán)組成的37面體。構(gòu)成碳團(tuán)簇的原子數(shù)稱為幻數(shù)，當(dāng)它為20、24、28、32、36、50、60、70時(shí)具有高穩(wěn)定性，其中又以C60最穩(wěn)定。所以，可以用酸溶去其他的碳團(tuán)簇，從而獲得較純的c60。二、人造原子人造原子又稱為量子點(diǎn)，是20世紀(jì)90年代提出的新概念。所謂人造原子是由一定數(shù)量的實(shí)際原子組成的聚集體，尺寸小于100nm.1996年麻省理工學(xué)院的阿休理（Ashoori）在一篇綜述中，正式提出人造原子的概念。1997年，加利福尼亞大學(xué)物理系的邁克尤恩（McEuen）把人造原子的內(nèi)涵進(jìn)一步擴(kuò)大，從維數(shù)來(lái)看，包括準(zhǔn)零維的量子點(diǎn)、準(zhǔn)一維的量子棒和準(zhǔn)二維的量子圓盤(pán)，甚至把100nm左右的量子器件也看成人造原子。人造原子與真正原子的運(yùn)動(dòng)行為特征和電學(xué)性質(zhì)既相互聯(lián)系又相互區(qū)別。相似之處：（1）人造原子有離散的能級(jí)，電荷也是不連續(xù)的，電子在人造原子中也是以軌道的方式運(yùn)動(dòng)，這與真正的原子極為相似；（2）電子填充的規(guī)律也與真正原子相似，服從洪德法則，地1激發(fā)態(tài)存在三重態(tài)。差別：（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(duì)稱性是多種多樣的，真正的原子則可以用簡(jiǎn)單的球形和立方形來(lái)描述；（3）人造原子電子間強(qiáng)交互作用比實(shí)際原子復(fù)雜得多，隨著人造原子中真正原子數(shù)目的增加，電子軌道間距減小，強(qiáng)的庫(kù)侖排斥和系統(tǒng)的限域效應(yīng)及泡利不相容原理使電子自旋朝同樣方向進(jìn)行有序排列；（4）實(shí)際原子中電子受原子核吸引做軌道運(yùn)動(dòng)，而人造原子中電子處于拋物線形的勢(shì)阱中，具有向勢(shì)阱底部下落的趨勢(shì)，由于庫(kù)侖排斥作用，部分電子處于勢(shì)阱上部，弱的束縛使它們具有自由電子的特征。三、納米粒子納米粒子又稱為納米粉末，一般是指粒度在100nm以下的固體粉末或納米顆粒。納米粒子一般為球形或類球形。納米粒子既具有宏觀體相的元胞和鍵合結(jié)構(gòu)，又具備塊體所沒(méi)有的嶄新的物理化學(xué)性能。1、納米粒子的制備納米粒子的制備方法可分為兩大類“自下至上”法，或稱構(gòu)筑法；“從上至下”法，或稱粉碎法。其中