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

1、第二章：納米構(gòu)造單元的種類第二章：納米構(gòu)造單元的種類 及其制備、性質(zhì)及其制備、性質(zhì)1 團(tuán)簇團(tuán)簇2 納米顆粒納米顆粒3 納米管、納米棒、納米絲納米管、納米棒、納米絲 原子團(tuán)簇原子團(tuán)簇2.1 原子團(tuán)簇的種類原子團(tuán)簇的種類2.2 原子團(tuán)簇的制備方法原子團(tuán)簇的制備方法2.3 原子團(tuán)簇的構(gòu)造與性質(zhì)原子團(tuán)簇的構(gòu)造與性質(zhì)2.4 原子團(tuán)簇的研討意義及用途原子團(tuán)簇的研討意義及用途2.5 C60的制備、性能及運(yùn)用的制備、性能及運(yùn)用2.1 原子團(tuán)簇的種類原子團(tuán)簇的種類 原子團(tuán)簇原子團(tuán)簇: 幾個(gè)至幾千個(gè)原子或離子經(jīng)過物理或化學(xué)力結(jié)合，幾個(gè)至幾千個(gè)原子或離子經(jīng)過物理或化學(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

2、和化學(xué)性質(zhì)隨組成相對(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，簡稱團(tuán)簇所含的原子數(shù)目而變化的聚集體，簡稱團(tuán)簇(cluster)l一元原子團(tuán)簇一元原子團(tuán)簇金屬團(tuán)簇，如金屬團(tuán)簇，如Nan, Nin等等非金屬團(tuán)簇非金屬團(tuán)簇碳簇，如碳簇，如C60, C70非碳簇，如非碳簇，如B, P, S, Si簇簇l二元原子團(tuán)簇：如二元原子團(tuán)簇：如InnPm, AgnSm等等l多元原子團(tuán)簇：多元原子團(tuán)簇：Vn(C6H6)m等等 種類種類 從原子種類數(shù)目分從原子種類數(shù)目分原子團(tuán)簇與其他分子以配位化學(xué)鍵結(jié)合構(gòu)成的化合物。原子團(tuán)簇與其他分子以配位化學(xué)鍵結(jié)合構(gòu)成的化合物。 從結(jié)合方式分從結(jié)合

3、方式分l范德華力：范德華力：He、Ne、Ar、Ke、Xel離子鍵：離子鍵：LiF NaCl CuBr CsIl化學(xué)鍵：化學(xué)鍵：C60、金屬原子團(tuán)簇、金屬原子團(tuán)簇2.1 原子團(tuán)簇的種類原子團(tuán)簇的種類 特點(diǎn)特點(diǎn) 尺尺 寸：空間尺度為幾個(gè)埃到幾百埃的范圍寸：空間尺度為幾個(gè)埃到幾百埃的范圍 存在方式：不同于單個(gè)原子、分子，也不同于固體液體，介存在方式：不同于單個(gè)原子、分子，也不同于固體液體，介 于兩者之間于兩者之間 產(chǎn)生條件：作為原子聚集體，往往產(chǎn)生于非平衡條件產(chǎn)生條件：作為原子聚集體，往往產(chǎn)生于非平衡條件2.2 原子團(tuán)簇的制備方法原子團(tuán)簇的制備方法人工產(chǎn)生團(tuán)簇的根本方法：人工產(chǎn)生團(tuán)簇的根本方法： 真

4、空合成法真空合成法 氣相合成法氣相合成法 凝聚相合成法凝聚相合成法2.2 原子團(tuán)簇的制備方法原子團(tuán)簇的制備方法 真空合成法濺射和真空合成法濺射和2次離子發(fā)射次離子發(fā)射 用幾至幾十用幾至幾十keV載能粒子離子或中性粒子轟擊固載能粒子離子或中性粒子轟擊固體外表，使固體外表濺射出各種次級(jí)粒子電子、離子、體外表，使固體外表濺射出各種次級(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)簇的原理濺射產(chǎn)生團(tuán)簇的原理2. 氣相合成法氣相合成法2.2 原子團(tuán)簇的制備方法原子團(tuán)簇的制備方法氣相團(tuán)簇構(gòu)成的條件：氣相團(tuán)簇構(gòu)成的條件：產(chǎn)生大量單體單原子或

5、雙原子分子產(chǎn)生大量單體單原子或雙原子分子急冷過程與惰性氣體原子碰撞或絕熱膨脹而使單體冷卻急冷過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)簇之間碰撞而長大單體聚集成簇或團(tuán)簇之間碰撞而長大氣相團(tuán)簇產(chǎn)生方式：氣相團(tuán)簇產(chǎn)生方式：單體在惰性原子的氣氛中聚集單體在惰性原子的氣氛中聚集單體本身冷卻而生長成團(tuán)簇單體本身冷卻而生長成團(tuán)簇1 1蒸發(fā)和氣體冷凝法蒸發(fā)和氣體冷凝法 將物質(zhì)元素或化合物放在低壓的惰性氣體腔室的蒸發(fā)皿將物質(zhì)元素或化合物放在低壓的惰性氣體腔室的蒸發(fā)皿中，高溫加熱至氣化，與惰性原子或分子碰撞，迅速冷卻，中，高溫加熱至氣化，與惰性原子或分子碰撞，迅速冷卻，構(gòu)成原子團(tuán)簇。構(gòu)成原子團(tuán)

6、簇。氣體冷凝法構(gòu)成氣體冷凝法構(gòu)成團(tuán)簇表示圖團(tuán)簇表示圖氣相合成法氣相合成法(2) (2) 激光蒸發(fā)和激光熱解激光蒸發(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外表，靶外表微區(qū)溫度極高耳級(jí)的能量作用到固體靶外表，靶外表微區(qū)溫度極高可達(dá)上萬度，發(fā)生離子發(fā)射或中性粒子蒸發(fā)，再用可達(dá)上萬度，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。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)原理表示圖激光蒸發(fā)原理表示圖氣相合成法氣相合成法(3) (3) 超聲膨脹超聲膨脹 用于制備范德瓦爾斯團(tuán)簇，

7、特別是惰性氣體團(tuán)簇。使處用于制備范德瓦爾斯團(tuán)簇，特別是惰性氣體團(tuán)簇。使處在高壓的純真氣體經(jīng)過一個(gè)小孔，向真空膨脹，即把氣在高壓的純真氣體經(jīng)過一個(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，凝聚構(gòu)成團(tuán)簇體內(nèi)能轉(zhuǎn)換為橫向能量，從而冷卻下來，凝聚構(gòu)成團(tuán)簇絕熱膨脹原理表示圖絕熱膨脹原理表示圖氣相合成法氣相合成法凝聚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。普通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金屬離子酸性水溶液復(fù)原劑復(fù)原劑分別分別明膠明膠納米金屬團(tuán)簇納米金屬團(tuán)簇2CoCl2 4N

8、aBH4 + 9H2O Co2B + 4NaCl 12.5H2 3B(OH)3H2O: 氧化作用 NaBH4: 復(fù)原作用2.3 原子團(tuán)簇的構(gòu)造與性質(zhì)原子團(tuán)簇的構(gòu)造與性質(zhì) 原子團(tuán)簇構(gòu)造原子團(tuán)簇構(gòu)造 絕大多數(shù)原子團(tuán)簇的構(gòu)造不確定絕大多數(shù)原子團(tuán)簇的構(gòu)造不確定 外形可以有線狀、層狀、管狀、洋蔥狀、骨架狀、外形可以有線狀、層狀、管狀、洋蔥狀、骨架狀、球狀等，團(tuán)簇中每添加一個(gè)原子，團(tuán)簇構(gòu)培育要發(fā)生改球狀等，團(tuán)簇中每添加一個(gè)原子，團(tuán)簇構(gòu)培育要發(fā)生改動(dòng)動(dòng)2 3 4 5 6 13原子團(tuán)簇的構(gòu)造原子團(tuán)簇的構(gòu)造少數(shù)團(tuán)簇存在穩(wěn)定構(gòu)造與幻數(shù)少數(shù)團(tuán)簇存在穩(wěn)定構(gòu)造與幻數(shù)惰性元素：惰性元素：Xe團(tuán)簇，團(tuán)簇，n=7, 13,

9、19, 55Li7(7)Li7(6)F14+C60固體的質(zhì)譜固體的質(zhì)譜Xe團(tuán)簇的質(zhì)譜團(tuán)簇的質(zhì)譜碳團(tuán)簇：碳團(tuán)簇：n=20, 24, 28, 32, 36, 50, 60, 70在團(tuán)簇質(zhì)譜分析中，在團(tuán)簇質(zhì)譜分析中，含有某些特殊原子數(shù)含有某些特殊原子數(shù)的團(tuán)簇的強(qiáng)度呈現(xiàn)峰的團(tuán)簇的強(qiáng)度呈現(xiàn)峰值，闡明這些團(tuán)簇特值，闡明這些團(tuán)簇特別穩(wěn)定，所含原子數(shù)別穩(wěn)定，所含原子數(shù)即為幻數(shù)。即為幻數(shù)。Li(LiF)n+, n=13, 14堿金屬鹵化物團(tuán)簇：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)定構(gòu)造含特定原子數(shù)金屬團(tuán)簇具有能量最低的穩(wěn)定構(gòu)造團(tuán)簇團(tuán)簇Nan和和Na+的穩(wěn)定構(gòu)造的

10、穩(wěn)定構(gòu)造原子團(tuán)簇的構(gòu)造原子團(tuán)簇的構(gòu)造典型原子團(tuán)簇構(gòu)造典型原子團(tuán)簇構(gòu)造石墨的構(gòu)造石墨的構(gòu)造金剛石的構(gòu)造金剛石的構(gòu)造C60的構(gòu)造的構(gòu)造典型原子團(tuán)簇構(gòu)造典型原子團(tuán)簇構(gòu)造C50Cl10的構(gòu)造的構(gòu)造中國科學(xué)院院士鄭蘭蓀中國科學(xué)院院士鄭蘭蓀 廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)系教授化學(xué)系教授 典型原子團(tuán)簇構(gòu)造典型原子團(tuán)簇構(gòu)造同位數(shù)效應(yīng)同位數(shù)效應(yīng)Cu團(tuán)簇：團(tuán)簇：Cu63 100%, Cu65 41.66%Cu團(tuán)簇的原子數(shù)具有奇偶團(tuán)簇的原子數(shù)具有奇偶性質(zhì)，具有奇數(shù)原子的團(tuán)性質(zhì)，具有奇數(shù)原子的團(tuán)簇具有較大的產(chǎn)額簇具有較大的產(chǎn)額 量子尺寸效應(yīng)量子尺寸效應(yīng)在臨界尺寸以下，團(tuán)簇電子最低在臨界尺寸以下，團(tuán)簇電

11、子最低允許躍遷能量較大，大于臨界尺允許躍遷能量較大，大于臨界尺寸后，躍遷能逐漸接近大塊資料寸后，躍遷能逐漸接近大塊資料原子團(tuán)簇的性質(zhì)原子團(tuán)簇的性質(zhì)磁性磁性平均有效磁矩隨團(tuán)簇尺寸平均有效磁矩隨團(tuán)簇尺寸增大而添加，鐵磁性物質(zhì)增大而添加，鐵磁性物質(zhì)的團(tuán)簇具有超順磁馳豫的團(tuán)簇具有超順磁馳豫 光學(xué)性質(zhì)光學(xué)性質(zhì)納米級(jí)的鐵原子團(tuán)簇對(duì)紅外納米級(jí)的鐵原子團(tuán)簇對(duì)紅外輻射具有較好的吸收特性輻射具有較好的吸收特性原子團(tuán)簇的性質(zhì)原子團(tuán)簇的性質(zhì) 小尺寸效應(yīng) 原子團(tuán)簇獨(dú)特的性質(zhì)源于其構(gòu)造上的特點(diǎn)，因其尺寸小，處于外表的原子比例極高，而外表原子的幾何構(gòu)型、自旋形狀以及原子間作用力都完全不同于體相內(nèi)的原子。資料的性質(zhì)與內(nèi)部單元

12、的外表性質(zhì)息息相關(guān)。例如僅僅經(jīng)過調(diào)理團(tuán)簇的大小，物質(zhì)特性就有極大的不同，10 個(gè)鐵原子的團(tuán)簇在催化氨合成時(shí)要比17個(gè)鐵原子的團(tuán)簇效能高出1000倍。 原子團(tuán)簇的性質(zhì)原子團(tuán)簇的性質(zhì)2.4 原子團(tuán)簇的研討意義及用途原子團(tuán)簇的研討意義及用途 模擬研討自然界的需求模擬研討自然界的需求 為新資料的制備開辟了新的途徑為新資料的制備開辟了新的途徑宇宙分子和塵埃宇宙分子和塵埃大氣煙霧和溶膠大氣煙霧和溶膠云層構(gòu)成和開展云層構(gòu)成和開展天體演化天體演化大氣污染控制大氣污染控制氣候人工調(diào)理氣候人工調(diào)理 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，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

13、溫度的提高，用于制備新型敏感元件、貯某些團(tuán)簇超導(dǎo)臨界溫度的提高，用于制備新型敏感元件、貯氫資料、磁性液體、微涉及紅外吸收資料、超導(dǎo)資料等。氫資料、磁性液體、微涉及紅外吸收資料、超導(dǎo)資料等。 為量子和經(jīng)典實(shí)際研討提供適宜的體系為量子和經(jīng)典實(shí)際研討提供適宜的體系2.5 C60的制備、性能及運(yùn)用的制備、性能及運(yùn)用 C60的構(gòu)造特征的構(gòu)造特征除金鋼石、石墨外的碳的第除金鋼石、石墨外的碳的第3種同種同素異構(gòu)體，是當(dāng)前能大量制備及分素異構(gòu)體，是當(dāng)前能大量制備及分別的團(tuán)簇別的團(tuán)簇1984年年Kroto激光汽化石墨實(shí)驗(yàn)中激光汽化石墨實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)又名富勒烯又名富勒烯(fullerenes)、足球烯、足球烯、布

14、基球布基球(Buckyballs)、碳籠烯、碳籠烯二十個(gè)六面體、十二個(gè)五面體二十個(gè)六面體、十二個(gè)五面體C60的制備的制備 激光蒸發(fā)法激光蒸發(fā)法 苯熄滅法苯熄滅法含氬氣的氧氣中熄滅苯含氬氣的氧氣中熄滅苯(或乙炔或乙炔) 化學(xué)合成法化學(xué)合成法稠環(huán)化合物稠環(huán)化合物(萘、蒽、菲萘、蒽、菲)真空真空低溫低溫等離子體化學(xué)氣相堆積于以等離子體化學(xué)氣相堆積于以(100)晶面的硅單晶襯底晶面的硅單晶襯底聚合物薄膜中含聚合物薄膜中含C601kg苯苯3g(C60+C70)低壓熄滅器低壓熄滅器 電弧法電弧法1990年，年，Kratschmer等人，初次能大規(guī)模消費(fèi)等人，初次能大規(guī)模消費(fèi)C60直流電弧放電直流電弧放電R

15、F(交流交流)等離子濺射加等離子濺射加熱石墨熱石墨在在Ar氣中的炭黑懸浮氣中的炭黑懸浮粒子經(jīng)過等離子加熱粒子經(jīng)過等離子加熱C60的制備的制備C60的性質(zhì)的性質(zhì) 化學(xué)性質(zhì)化學(xué)性質(zhì) C60具有缺電子的性質(zhì)，六元環(huán)間的雙鍵具有缺電子的性質(zhì)，六元環(huán)間的雙鍵(30個(gè)個(gè))為反響為反響的活性部位，因此可發(fā)生氫化、鹵化、氧化復(fù)原、環(huán)加的活性部位，因此可發(fā)生氫化、鹵化、氧化復(fù)原、環(huán)加成、光化與催化及自在基加成等多種化學(xué)反響。成、光化與催化及自在基加成等多種化學(xué)反響。氫化反響氫化反響C60Li+液氨正丁醇液氨正丁醇Birch反響反響C60H18+C60H36(甲苯甲苯DDQ)中回流中回流DDQ：二氯二氰對(duì)苯醌：二

16、氯二氰對(duì)苯醌氟化氟化C60C60F6、C60F42、C60F60(特氟隆球特氟隆球) 高溫光滑劑高溫光滑劑 外表可進(jìn)展化學(xué)修飾外表可進(jìn)展化學(xué)修飾有機(jī)基團(tuán)接枝有機(jī)基團(tuán)接枝金屬鍵協(xié)作催化劑金屬鍵協(xié)作催化劑 籠內(nèi)可裝填原子分子籠內(nèi)可裝填原子分子金屬離子可裝入金屬離子可裝入C60籠中籠中K、Na、Cs(銫銫)、La、Ca、Ba、Sr(鍶鍶)C60的性質(zhì)的性質(zhì) C60的物理性質(zhì)的物理性質(zhì) C60是黑色粉末，密度：是黑色粉末，密度：1.65g/cm3，熔點(diǎn)，熔點(diǎn)800，易溶于，易溶于CS2, 甲苯甲苯 C60團(tuán)簇固體是一種依托范德華力的結(jié)晶體團(tuán)簇固體是一種依托范德華力的結(jié)晶體(fcc構(gòu)造構(gòu)造) C60是一

17、個(gè)半導(dǎo)體，是一個(gè)半導(dǎo)體，0K時(shí)不導(dǎo)電，摻時(shí)不導(dǎo)電，摻K、Rb(銣銣)、Cs后變后變?yōu)榘雽?dǎo)體為半導(dǎo)體 A3C60，在低溫時(shí)具有超導(dǎo)性，在低溫時(shí)具有超導(dǎo)性 光電子轉(zhuǎn)移特性，光激發(fā)后容易構(gòu)成電子空穴對(duì)光電子轉(zhuǎn)移特性，光激發(fā)后容易構(gòu)成電子空穴對(duì)C60的性質(zhì)的性質(zhì)C60的運(yùn)用的運(yùn)用 光學(xué)資料：非線性光學(xué)資料：非線性C60薄膜二階非線性光學(xué)效應(yīng)薄膜二階非線性光學(xué)效應(yīng));光光電導(dǎo)資料，在計(jì)算機(jī)、光記憶、光信號(hào)處置及控制等電導(dǎo)資料，在計(jì)算機(jī)、光記憶、光信號(hào)處置及控制等方面運(yùn)用方面運(yùn)用 半導(dǎo)體資料：類似于非晶硅半導(dǎo)體資料：類似于非晶硅-新型半導(dǎo)體資料新型半導(dǎo)體資料 氣體分別資料：利用氣體分別資料：利用C60分別

18、空氣中的氧氣、氮?dú)夥謩e空氣中的氧氣、氮?dú)?超導(dǎo)體：超導(dǎo)體：C60摻摻KK3C60 磁性資料磁性資料(軟磁性軟磁性)：C60C2N4(CH3)80.86有機(jī)軟磁有機(jī)軟磁資料；資料；C60籠內(nèi)摻入籠內(nèi)摻入Ne、He、LiF、LiCl、NaF、NaCl等等 新型催化劑：新型催化劑：C60Pdn可作二苯乙炔氫化的催化劑可作二苯乙炔氫化的催化劑 生物活性資料：水溶性二氨基二酸二苯基生物活性資料：水溶性二氨基二酸二苯基C60衍生物衍生物艾滋病病毒抑制劑艾滋病病毒抑制劑 功能高分子復(fù)合資料：與高分子復(fù)合制備新型功能高功能高分子復(fù)合資料：與高分子復(fù)合制備新型功能高分子資料分子資料本征運(yùn)用本征運(yùn)用衍生物運(yùn)用衍生物運(yùn)用1) 1) 研討團(tuán)簇的組成及電子構(gòu)型的規(guī)律、幻數(shù)和幾何構(gòu)造、穩(wěn)定性的規(guī)律；研討團(tuán)簇的組成及電子構(gòu)型的規(guī)律、幻數(shù)和幾何構(gòu)造、穩(wěn)定性的規(guī)律；2) 2) 研討團(tuán)簇的成核和構(gòu)成過程及機(jī)制，研討尺寸均一團(tuán)簇的制備方法研討團(tuán)簇的成核和構(gòu)成過程及機(jī)制，研討尺寸均一團(tuán)簇的制備方法3) 3) 研討金屬、半導(dǎo)體及非金屬和各種化合物團(tuán)簇的光、電、磁、力學(xué)、化研討金屬、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)，它們與構(gòu)造和尺寸的關(guān)系，及向大塊物質(zhì)轉(zhuǎn)變的關(guān)節(jié)點(diǎn)；學(xué)等性質(zhì)，它們與構(gòu)造和尺寸的關(guān)