纳米材料与技术- 纳米结构单元.doc

《纳米材料与技术- 纳米结构单元.doc》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、第一章纳米结构单元一、零维单元1．团簇（cluster）2．纳米微粒3．人造原子二、一维单元1．碳纳米管2．纳米棒、丝、线3．同轴纳米电缆4．纳米带5．纳米线研究进展一、零维单元1．团簇（cluster）（1）定义：是一类化学物种，指几到几百个原子的聚集体，粒径尺度小于1nm。是介于单个原子与固态之间的原子集合体。（2）组成：一元（含金属、非金属团簇），二元及多元原子团簇，原子团簇化合物（3）结构：以化学键紧密结合（除惰性气体外），球状、骨架状、四面体、葱状及线、管、层状等。（4）物理性质：表面效应、量子

2、尺寸、几何尺寸效应、掺杂物性等（5）研究：多学科交叉　　%C60：寻找星际间分子而发现2．纳米微粒：超微粒子（ultra-fineparticle）(1) 定义：尺寸在nm量级的超细微粒，尺度在1~100nm之间，大于原子团簇，小于通常的微粒。尺寸为红血球和细菌的几分之一，与病毒大小相当。“要用TEM才能看到的微粒。”(2)性质：由微观到宏观世界的过渡区域，具有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等。　特殊的微观机制→影响宏观性质（生物活性由此产生）(3) 研究：制备、合成和应用。3．人造

3、原子（artificialatom,super-atom）(1) 定义：尺寸小于100nm的、由一定数量的实际原子组成的聚集体。　包括：准0维的量子点、准1维的量子棒、准2维的量子圆盘、及100nm左右的量子器件(2)特性：（量子效应）　i)与原子相似之处：a.离散的能级和电荷b.电子填充服从洪德定律ii)与原子的差别：a.含有一定数量的原子　　b. 形状、对称性多种多样c. 电子间的相互作用复杂d. 电子在抛物线形的势阱中，上层电子束缚弱(3)应用：体系的尺度与物理特征量相当量子效应→新原理、新结构二、

4、一维单元1．碳纳米管（BuckyTube　巴基管）发现：1991年，日本电气公司（NEC）高级研究员、名城大学教授饭岛澄男（SumioIijima）利用透射电镜首次观察到碳纳米管。它是由石墨薄片（碳原子排列成六角网状）卷成的具有螺旋周期的管状构造。管子一般由多层组成，两端封闭，直径在几纳米至几十纳米之间，长度为数微米，甚至毫米。（1）结构（石墨片卷曲，1/2富勒烯封顶）直径0.4nm~几十nm，长度一般是几十nm至数微米，甚至毫米级。Ø单壁纳米碳管(Singlewalledcarbonnanotubes,

5、SWNTs)：　含有一层石墨烯片层。直径一般为1－6nm，最小直径大约为0.4nm。因为最小直径与富勒烯分子类似，也称为富勒管或巴基管(Buckytube)。Ø多壁纳米碳管(Multi-walledcarbonnanotubes,MWNTs)：含有多于一层的石墨烯片层。层间距约为0.34纳米，直径在几个纳米到几十纳米。Ø碳纳米纤维(Carbonnanofibers,CNFs)：结构和性能处于普通碳纤维和纳米碳管的过渡状态。它由两种不同结构的碳组成，内层是结晶石墨片层（即纳米碳管），外层是一层热解碳，中间是

6、中空管。（2）分类依构成nm管截面圆周的手性矢量(chiralvector)　　　　　　　　不同，单壁碳纳米管分为三类。一张展平的石墨纸，以一定的角度和方向卷成无缝的管子。纳米管的直径和螺旋度(helicity)可用手性矢量(n,m)唯一地确定。a1，a2夹60°角，na1+ma2矢量即为手性矢量。沿与该矢量垂直方向为轴向，将原点与矢量端点重合，即得(n,m)型碳纳米管。（3）特性i)电子特性：n,m值，即直径和手性角q值对纳米管的性能影响很大。碳纳米管的电特性随分子结构改变而发生明显变化（量子限域，只能

7、沿着轴向运动），没有其他任何材料在分子结构不同时具有如此不同的特性。½n-m½=3qq为整数时,(n,m)纳米管为金属性的(无能隙)。Ø单臂纳米管均为金属性(n=m)Ø手性和锯齿纳米管中部分为金属性的（以上两种情况占小直径纳米管的1/3）Ø手性和锯齿纳米管中部分为半导体（有限带隙）：纳米管直径变大，带隙变小→大直径时均为金属性（锯齿形碳纳米管的能隙反比于管半径的平方）共轴的金属-半导体、半导体-金属纳米管对是稳定的Þ全碳电子元件（微型化、高性能、低能耗）ii)力学特性：<单壁纳米管的抗张强度比钢高100倍

8、，但密度只有钢的1/6。其拉力强度是大多数合金的25倍→复合材料的增强剂iii）化学等方面纳米管作为模板→纳米丝?贮氢、电池等用途碳纳米管的应用Ø碳纳米管阵列体系→场发射器件Ø单壁碳纳米管的压电系数高→人工肌肉Ø碳纳米管+电极→纳米镊子(nanotweezer)Ø半导性单壁碳纳米管→化学传感器Ø碳纳米管线路→器件微型化Ø碳纳米管的弹性→纳米秤(飞克级的病毒)（4）制备目标：①连续批量生产；②结构分布均匀且可控；③成本低，适宜商