东南大学纳米物理：3.纳米结构的基本单元

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1、纳米材料的基本单元结构第二章：零维：团簇、纳米颗粒，也称为量子点。一维：纳米线、纳米管、纳米针，也称为量子线纳米科学的物理基础二维：多层膜、超晶格，也称为量子阱（一）纳米材料的结构单元三维：由0-2维纳米材料构成的复合体12（1）原子团簇（cluster）激光蒸发法制备C60团簇原子团簇：几个，几十，成千上万个原子的构成的稳定聚合体。0.1nm~10nm除惰性气体外，原子间以化学键紧密结合。性质既不同于单个原子、分子，也不同于固体或液体可作为各种物质原子分子向大块物质转变中的特殊物相，它代表了凝聚态物质的初始状态王广厚<<物理学进展>>团簇研究

2、有助于弄清团簇如何由原子分1994年6月，1998年3月子一步步发展而来，以及随着这种发展，团簇的性质将如何改变，如何发展成固体的。另外研究电子能带的演化34团簇尺寸的演化团簇研究的基本问题：弄清团簇如何由原子、分子一步一步发展而成，(NaCl)n团簇生长螺旋以及随着这种发展，团簇的结构和性质如何变化。561团簇的稳定结构和幻数对于密堆积的纳米微粒，壳团簇的幻数序列与构成团簇层的原子数可以表示为：的原子键合方式有关：2金属键：自由价电子∑=10n+2共价键：Si,Cn为壳层数。离子键：金属卤化物第一层：1+12=13范德瓦尔斯键：惰性元素第二层

3、：13+42=55幻数特征（壳层结构)第三层：55+92=14778C60富勒烯（Fullerene）•意外发现C60•石墨-碳的最常见形态•较软、黑色、结构稳定、原子层状结构Prof.CurlProf.Kroto期望Prof.Smalley从红巨星里发现建立实验装置，碳的长链结构•金刚石利用激光可蒸发•透明、超硬、原子间四个共价键绝大部分物质联络•C60-碳单质的另一种稳定结构12个五边形和20个六边形组成又称合作为富勒烯或足球烯C60(1985秋)910因发现富勒烯获得1996年诺贝尔化学奖富勒烯家族新成员：C36Prof.R.F.Curl

4、,ProfSirHaroldW.KrotoProf.R.E.SmalleyRiceUniversity,HoustonUniversityofSussexRiceUniversityTX,USABrighton,EnglandTX,USAReference:http://www.nobel.se/chemistry/laureates/199611122（2）碳纳米管1970年，法国奥林大学的Endo首次用气相生长技术制成了直径为7nm的碳纳米丝，但遗憾的是他未对其结构进行细致的评估和表征。1991年，美国海军实验室在一篇理论性文章中预计了一种

5、碳纳米管的电子结构，并认为短期内很难将其成功合成。1991年1月，日本NEC实验室的Iijima等首次报导了一种具有新型分子结构(纳米管)的碳的合成，并首次通过高分辨电镜观察到其结构为多层同轴管最细的碳纳米管(0.4nm)2000年，香港科技大学的汤子康博士即宣布发现了世界上最细的纯碳1995中国科学院物理研究所解思深等实现了碳纳米管的定向纳米碳管0.4nm，这一结果已达到碳纳米管的理论极限值。生长,并成功合成了超长(毫米级)纳米碳管（长100微米，阵列面积可高达3毫米×3毫米）1314NanotubeCovers纳米碳管的结构0.340.14

6、大块稳定碳晶体⎯石墨碳纳米管可看成有单层石墨卷起来形成的，性质等由特征矢量纳米管直径：1C=na1+ma2（n,m)决定d=C/π=3a(n2+nm+m2)2/πthc−c不同的m,n值将导致不同的碳管结−1θ=tan[3m/(m+2n)]15构和性质。16¾理论计算显示单臂碳纳米管m=n能带跨越费米能级，所以是金属性电导率通常可达铜的1万倍。零缺陷！¾手性或锯齿形CNT：当n-m=3l，为金属性.当n−m≠3l，为半导体能隙约~0.5eV.taE=CC−锯齿形(zigzag):(n或m=0)A）单臂碳纳米管：n=m依赖于直径：gdtB）形成锯

7、齿形(n或m=0)单臂碳纳米管(armchairtubes):C）手性（chiral)an=mCC−=1.42Å,D）扫描隧道显微镜照片a.CNTI-V曲线;b.dI/dV谱;手性（chiral):其他E）多壁CNT17t≈5.4eVc.能隙和管直径关系.183碳纳米管中的单电子传输STMI-V谱图放置于金属衬底上方（d）的碳纳米管电容：单电子填充能量：2212Zigzag,dt=1.6nmC=2πε0L/ln{[d+(d−R)]R},e2E=C其中：R为CNT半径，L为长度Cθ=18°,d=1.7nmtRoom-temperaturesing

8、le-electrontransistors(RTSET)areθ=21°,d=1.5nmtrealizedwithinindividualmetal