纳米技术及其应用-第二章.ppt

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1、第2章纳米结构单元人造原子团簇与纳米微粒第2章回答三个问题：1、什么是原子团簇？2、纳米微粒的尺寸一般定义在什么范围？纳米微粒的特性与其相应的块体材料是否完全相同？为什么？3、人造原子与实际的原子有什么异同点？研究人造原子有什么意义？第2章§2.1原子团簇Back§2.2纳米微粒§2.3纳米管、纳米棒、纳米丝、同轴纳米电缆和纳米带§2.4人造原子第2章§2.1原子团簇Back§2.1团簇1）概念（1）原子团簇是什么？原子团簇的粒径小于或等于1nm，是由几个至几百个原子组成的聚集体，是一类新发现的化学物种。（2）它是分子吗？No.分子具有特定大小和形状,而原子团簇形状多种多样

2、。（3）它是分子团簇吗？No.分子团簇里分子和分子之间是弱的结合力，而原子团簇里原子之间是强的化学键结合的。（4）它是晶体吗？No.晶体的周期性很强,而原子团簇尚未形成规整的晶体。§2.1团簇原子团簇的许多性质既不同于单个原子、分子，也不同于固体和液体，也不能用两者性质作简单线性外延和内插来得到。团簇可看成是介于原子、分子与宏观物质之间的物质结构的新层次，是各种物质由原子、分子向大块物质转变的过渡状态。也可以说，原子团簇代表着凝聚态物质的初始状态，有人称之为“物质的第五种状态”。原子团簇具有量子尺寸效应和幻数效应。§2.1团簇FenCunSmCnHmC60C70原子团簇的形

3、状：多种多样！线状、层状、管状、洋葱状、骨架状、球状……原子团簇的原子间是以强化学键紧密结合在一起的§2.1团簇1）原子团簇概念总结原子团簇是一类新发现的化学物种，是指粒径小于或等于1nm，由几个至几百个原子组成的聚集体，它不同于：①具有特定大小和形状的分子②分子间以弱的结合力结合的松散分子团簇③周期性很强的晶体原子团簇的形状可以是多种多样的，它们尚未形成规整的晶体，除了惰性气体（范德瓦尔斯键）外，它们都是以化学键紧密结合的聚集体。§2.1团簇2）幻数：在团簇质谱分析中，有某些特殊原子数的团簇的强度呈现峰值，表明具有这些特定原子（分子）数目的团簇具有特别高的热力学稳定性，所

4、含的原子数称为原子团簇的“幻数”。Xe团簇的质谱（所标数字为幻数）构成原子团簇的原子数称为幻数。§2.1团簇碳簇的幻数有：20、24、28、32、36、50、60和70。众多的碳簇中以C60最为稳定§2.1团簇3)原子团簇的分类一元原子团簇二元原子团簇多元原子团簇金属团簇（如Nan,Nin等）非金属团簇碳簇（如C60,C70等）非碳簇（如B簇、P簇、S簇、Si簇等）第2章§2.2纳米微粒Back§2.2纳米微粒1）纳米微粒的概念纳米微粒的尺度一般定义为1～100nm。纳米微粒的结晶状态:纳米微粒的形貌:晶态、非晶态、准晶态等等以球形和类球形为主，形貌多种多样§2.2纳米微粒

5、纳米微粒仅仅是大块物质的尺寸缩小吗？§2.2纳米微粒2）纳米微粒的特有性质当颗粒尺寸小到纳米量级的时候，就会产生一些不同于传统固体的特有性质。纳米微粒的热、磁、光、敏感特性和表面稳定性等不同于正常的粒子（由此便产生了纳米微粒的许多新的应用前景）。§2.2纳米微粒——热学性质、磁学性质和光学性质a.纳米微粒的熔点、开始烧结温度和晶化温度均比常规的粉体要低得多。b.纳米微粒奇异的磁特性主要表现在它具有超顺磁性或者高的矫顽力。c.纳米微粒具有大块物体所不具备的新的光学特性。纳米微粒这些奇异的特性均归因于纳米微粒的几大效应：量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应，而由

6、此产生的这些新的特性，又使得纳米微粒在催化、滤光、光吸收、医药、磁介质及新型材料等方面具有广阔的应用前景。GO§2.2纳米微粒——热学性质1、常规银的熔点为1233K（约960℃），纳米银的熔点呢？★纳米银微粒的熔点可以低于373K！(100oC)2、大块铅的熔点为600K，而20nm球形铅微粒的熔点呢？★20nm球形铅微粒的熔点低于288K！(15oC)3、为什么纳米微粒熔点急剧下降？体积小!由于颗粒小，纳米微粒表面原子数多，表面能高。表面原子近邻配位不全，活性大，而纳米微粒体积远远小于大块体材料，因此纳米微粒熔化时所增加的内能小得多，所以纳米微粒熔点急剧下降。一、纳米微

7、粒的熔点§2.2纳米微粒——热学性质二、纳米微粒的烧结温度降低三、纳米微粒的晶化温度降低常规的氧化铝烧结温度在1973～2073K，而纳米氧化铝可以在1423～1673K之间烧结，致密度可达99.0％以上。常规Si3N4烧结温度高于2273K，纳米氮化硅烧结温度降低400-500K。§2.2纳米微粒——磁学性质纳米微粒尺寸小到一定的临界值时进入超顺磁状态。镍微粒的矫顽力与颗粒直径d的关系曲线§2.2纳米微粒——磁学性质超顺磁状态的起源是什么？由于在小尺寸下，当各向异性能减小到与热运动能可向比拟时，磁化方向就不再固定