纳米材料导论复习PPT

21.52222.52323.52424.52502468101214051015202502468101214自然界中的纳米人和动物坚硬牙齿的外表面，即牙釉质，是由纳米尺寸的微晶组成。天体陨石的碎片和海洋中存在的亚微米胶体粒子，碳纳米洋葱蜜蜂的定向螃蟹的横行—磁性粒子“指南针”定位作用的紊乱海龟在大西洋的巡航—头部磁性粒子的导航牙釉质的显微结构，放大倍率为3万倍，其结构表明牙釉质内由大量的纳米晶组成。莲花效应—莲花出污泥而不染荷叶叶面上存在着非常复杂的多重纳米和微米级的超微结构。表面上有许多微小的乳突，乳突的平均大小约为10微米，平均间距约12微米。而每个乳突有许多直径为200纳米左右的突起组成的。按结构（维度）分(1)零维，指在空间三维尺度均在纳米尺度，(如纳米颗粒)(2)一维，指在空间有两维处于纳米尺度，（如纳米丝、纳米棒、纳米管等）(3)二维，指在三维空间中有一维在纳米尺度，（如超薄膜，多层膜，超晶格等）(4)体相纳米材料（由纳米材料组装而成）。(5)纳米孔材料（孔径为纳米级）。纳米材料的分类纳米材料零维纳米材料：纳米粒子纳米球纳米葱头纳米粉纳米晶粒一维纳米材料：纳米线纳米棒纳米晶须纳米管纳米带二维纳米材料：纳米薄膜纳米壳纳米圆盘纳米喇叭纳米花三维纳米材料：纳米多层膜纳米格列纳米多孔材料纳米弹簧纳米复合材料纳米材料的特性当颗粒尺寸进入纳米数量级时，其本身和由它构成的固体主要具有三个方面的效应，并由此派生出传统固体不具备的许多特性。（1）小尺寸效应（2）表面效应（3）量子尺寸效应1、纳米微粒三个效应（1）小尺寸效应当粒子的尺寸与光波波长、电子的德布洛依波长、超导相干波长及激子玻尔半径尺寸相当或更小时，声、光、电、磁、热力学等特性均会呈现新的尺寸效应。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒而言，尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加，从而产生如下一系列新奇的性质。（2）表面效应表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随着纳米粒子尺寸的减小而大幅度地增加，粒子的表面能及表面张力也随着增加，从而引起纳米粒子性质的变化。纳米粒子具有许多悬空键，并具有不饱和的性质，因此极易与其它原子结合而趋于稳定。所以，纳米粒子具有很高的活性。d比表面积表面原子表面能活性稳定性金属纳米粒子自燃催化剂（3）量子尺寸效应当粒子尺寸下降到某一值时，费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象和纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级，能隙变宽现象均称为量子尺寸效应。久保理论（公式）：•对于宏观物体，它包含无限个原子(即导电电子数N)，由上式可得能级间距0，即对大粒子或宏观物体能级间距几乎为零；•对纳米微粒，所包含原子数有限，N值很小，这就导致有一定的值，即能级间距发生分裂。134VNEF一元原子团簇金属团簇，如Nan,Nin等非金属团簇碳簇，如C60,C70非碳簇，如B,P,S,Si簇二元原子团簇：如InnPm,AgnSm等多元原子团簇：Vn(C6H6)m等从原子种类数目分从结合方式分范德华力：He、Ne、Ar、Ke、Xe离子键：LiFNaClCuBrCsI化学键：C60、金属原子团簇团簇的种类金属：电子对团簇稳定起主导作用，金属团簇的价电子为共有电子，碱金属团簇中的s电子为团簇共有，各原子轨道结合成分子轨道，随原子数增加分子轨道演变成能带。•相邻团簇的能量二级差分峰值出现在n=2、8、18、20、34、40等。•电子满壳层结构时，其幻数为2、8、18、20、34、40、58、68、70、92、106等。•碱金属、碱土金属团簇的封闭壳层的原子数即为幻数•OrderingofLevels:1s1p1d2s1f2p1g…•LevelClosings(no.ofelectrons)281820344058…1s1p1d2s1f2p1gEnergy281820344058ExperimentalobservationM=CaSrBaTiZrHf−4.0−3.0−2.0−1.00.01.02.0Energylevels(eV)M@Li163.03.23.43.6RadiusofClusters(Ang.)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(3)(3)(3)(3)(3)(3)(5)(5)(5)(5)(5)(5)1S2S3S(HOMO)1P2P3P(LUMO)新结构－Au32笼子结构非碳元素的富勒烯？第一个金属元素笼子(金富勒烯)C60Au32金固体：密堆结构对偶共同点:•单质•中空结构•高对称性(Ih)•大能隙Au32:1.6eVC60:1.7eV不同点:•非共价键•金属元素石墨16•Whyhollow,notcompact?•Goldelement:heavyrelativisticeffect(RE)•RE:aromaticinnano-size•Aromaticity–2D•SmallGoldnano-pieces:2D•Why32?•Geometry•ElectronicShellsPart.Au32WhyExperimentalobservation•Electronicshells•Closedshells•Magicnumbers•2,8,18,20,34…•Atomic-likeorbitals•S,P,D•Non-singularityofpotential•1S,1P,1DPart.Au32ElectronicShellsNO32?Theoreticalcalculations•WhatspecialinAu32?•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.Fig.18.9.UsingtheIndium-FlushtechniquetomakeInAs/GaAsquantumdotstacksmoreuniform:(a)and(b)arecross-sectionTEMimagesofshape-engineeredInAs/GaAsquantumdotsgrownat515oC,andc)andd)arethecorrespondingstate-fillingspectroscopy.StacksIndium-Flushedat5.0nmshowbetteruniformitythanstackswithnoIndium-Flush.TheGaAsspacersare10nm.ThePLisexcitedwithvariousintensitiesuptoafewkW/cm2.AfterFafardetal.13MolecularBeamEpitaxy(MBE,分子束外延生长)MBE–Self-assembled1.Initialstage–InAs(7%mismatch)growslayer-by-layer2Dmechanism.2.Strainedlayer–wettinglayer3.WhenamountofInAsexceedscriticalcoverage(misfit1.8%),3DislandsareformedDifferenttypesofnanotubes(n,0)or(0,m)andhaveachiralangleof0°,armchairnanotubeshave(n,n)andachiralangleof30°,whilechiralnanotubeshavegeneral(n,m)valuesandachiralangleofbetween0°and30°.Geometry•RollupVector•(n,m)•n-m=3d•ChiralAngle•tan(θ)=√3m/(2√(n2+m2+nm))•ArmChair(n,n),θ=30○•Zig-zag(n,0),θ=0○•Chiral,0○θ30○Carbonnanotubes(Wiley,2004)Metalorsemiconductor?–(n-m)/3(10,0)semiconductor(9,0)metal•quantizationin(n,0)•n+1allowedlinesbetweenGandM•GK=2/3KM=1/3•metals(3,0),(6,0),(9,0),(12,0)…•semiconductors(2,0),(4,0),(5,0),(7,0)…•generalconditionmetallicif(n-m)/3=integerVapor-Liquid-solid(VLS)GrowthProcessSLS(solution–liquid–solid)VLSGraphene•2Dhexagonalcarboncrystallattice•Infiniteboundaries•Naturallyoccurring•Multilayeringraphite•Nanospecsinsootfromexhaust•Currentlyoneofthemostresearchedmaterials•Uniquephysicalandelectricalproperties•Widearrayofpotentialuses•Firsttrulytwo-dimensionalcrystallinematerial•Representativeofawholeclassof2Dmaterials:•BNandMoS2etc.PhosphoreneGrapheneBoroph