信息納米技術(shù)及其應(yīng)用CH1納米結(jié)構(gòu)單元1ppt課件

1、CH1 納米結(jié)構(gòu)基本單元 1.1團(tuán)簇cluster）原子團(tuán)簇：幾個至幾百個原子的聚集體，粒徑1nm一元原子團(tuán)簇：金屬團(tuán)簇、非金屬團(tuán)簇富勒烯Fullerene）(C60,C70)富勒烯：由C原子形成的籠形分子。二元原子團(tuán)簇:InnPm, AgnSm多元原子團(tuán)簇：Vn(C6H6)m性質(zhì)：異常高化學(xué)活性、高催化性、具有量子尺寸效應(yīng)和光的非線性效應(yīng)等。C60 由60個C原子排列于一個截角20面體的頂角上，構(gòu)成足球式的中空球形分子。32面體：20個六邊形，12個五邊形。直徑0.7nm。 構(gòu)成C團(tuán)簇的原子數(shù)稱為幻數(shù)為20，24，28，32，36，50，60和70的結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，其中，C60最穩(wěn)定。 由石墨棒

2、在惰性氣體He，Ar中直流電弧放電制得。1.2 納米微粒納米微粒Nanoparticles的尺寸大于團(tuán)簇，小于通常的微粉。 如： 納米氧化物粉： 納米ZnO粉 納米TiO2粉 納米化合物粉： 納米BaTiO3粉 納米金屬粉： 納米金屬Ag粉 納米Ni粉，納米Cu粉1.3 碳納米管1.3.1 碳納米管Carbon nanotubes）(CNT)概念碳納米管：由石墨稀片卷成的、直徑為納米尺度的圓筒，其兩端由富勒烯半球封帽而成。單壁碳納米管(Single-walled carbon nanotubes, SWNT): 由一層C原子構(gòu)成，直徑約1-2 nm，觀察到的最小尺寸為0.33 nm多壁碳納米管

3、(Multi-walled carbon nanotubes, MWNT): 由幾個至幾十個單壁CNT同軸構(gòu)成。層間距約0.34 nm，直徑約幾nm至幾十nm，長度一般是微米級，也可達(dá)到毫米級。1.3.2 SWCNT分類 單壁碳納米管按手性可分為三種：扶手型(單臂型)、鋸齒型和手性型螺旋型） 單位矢量：a1、a2 手性矢量：Ch=n a1 +m a2 手性角：Ch與a1的夾角 CNT的性能由Ch和確定 扶手型: n=m, =30 鋸齒型: m=0, =0 手性型: 030n a1 m a2 Ch和tan計算 12hnmcaa13c caa23c caa221212()()2cos120ohnm

4、mncaaa a232tan332c cc cmmnaaa32mnm12322()hc cdcnmmna=CNT的性能由直徑d和手性角確定，d 和取決于n和m m=n , = 30o,單臂型CNT (扶手型) m=0, =0,鋸齒型CNT 手性型CNT, 0 30o1 2322()()c cdmnamn1 3(2)tanmnmCNT (4,0) d=0.32nm =0 (11,11) d=1.51nm =301.3.3 CNT合成方法 電弧法：在惰性氣氛中，兩根石墨電極直流放電，陰極上產(chǎn)生C納米管。 熱解法：過渡金屬作催化劑，700-1600K條件下，通過C、H化合物分解制備CNT。 激光蒸發(fā)

5、法：激光刻蝕高溫爐中的石墨靶，在Co-Ni催化劑作用下形成CNT，由流動的Ar氣將CNT載入水冷收集器。 制備單壁碳納米管需要催化劑，多壁碳納米管可以不要催化劑，管徑尺寸與分布取決于催化劑成分、生長溫度等。電弧法制備CNT 在惰性氣氛中，兩根石墨電極直流放電，陰極上產(chǎn)生C納米管?？刂茪怏w種類及壓力，電壓及電流等，可較大量地制備出CNT。液N保護(hù)連續(xù)制備CNT 液N保護(hù)電弧區(qū)生成CNT CNT沉積，特點：結(jié)構(gòu)簡單；反應(yīng)效率高；產(chǎn)物質(zhì)量好：4-8層CNT，純度高。 制備單壁CNT,使用催化劑:Fe, Co, Ni等。 電弧產(chǎn)物: 無定型C、 C60、另有催化劑顆粒雜質(zhì)等。電弧法制備的SWCNT熱解

6、法制備CNT 過渡金屬作催化劑，700-1600K條件下，通過C、H化合物分解制備CNT。催化劑：Fe，Co，Ni等。 催化熱解法成本低、產(chǎn)量大，實驗條件易控制，通過控制催化劑模式，可制備出高質(zhì)量的多壁CNT和定向排列的CNT陣列。 按催化劑加入方式分三種：基體法、噴淋法、流動催化法基體法制備CNT催化劑顆粒附著于基體上，高溫下通入含C氣體并在催化顆粒處析出CNT。激光蒸發(fā)法制備CNT 激光蒸發(fā)法：激光刻蝕高溫爐中的石墨靶，在Co-Ni催化劑作用下形成CNT，由流動的Ar氣將CNT載入水冷收集器。激光蒸發(fā)法可制備出高質(zhì)量的單壁CNT。制備CNT陣列 催化熱解法：SiO2基體，納米Fe為催化劑，

7、700分解乙炔。CNT垂直于基體方向生長，長約50um1.3.4 CNT電性能及應(yīng)用 CNTCNT的導(dǎo)電性能與其結(jié)構(gòu)和手性有關(guān)：的導(dǎo)電性能與其結(jié)構(gòu)和手性有關(guān)： 所有所有ArmchairArmchair型型SWCNTSWCNTn n，n n具有金屬具有金屬導(dǎo)電性；對于鋸齒型導(dǎo)電性；對于鋸齒型n n，0 0），當(dāng)），當(dāng)n n為為3 3的倍數(shù)的倍數(shù)時，為金屬性；其它情況為半導(dǎo)體性。對于螺時，為金屬性；其它情況為半導(dǎo)體性。對于螺旋型，（旋型，（n n，mm），當(dāng)結(jié)構(gòu)指數(shù)滿足），當(dāng)結(jié)構(gòu)指數(shù)滿足2n+m=3q2n+m=3qq q為整數(shù)），表現(xiàn)為金屬性；其他類型則為為整數(shù)），表現(xiàn)為金屬性；其他類型則為半導(dǎo)體

8、性半導(dǎo)體性, Eg, Eg為：為： 1.7-2.0eV1.7-2.0eV。 CNTCNT結(jié)：不同直徑和螺旋角的結(jié)：不同直徑和螺旋角的CNTCNT相連接可形相連接可形成：成：M-SM-S，S-SS-S，M-MM-M納米異質(zhì)結(jié)。納米異質(zhì)結(jié)。 CNTCNT可作為新型納米電子器件的基本結(jié)構(gòu)單元?？勺鳛樾滦图{米電子器件的基本結(jié)構(gòu)單元。CNT能帶結(jié)構(gòu)與電子態(tài)密度CNTCNT中的電子運輸中的電子運輸 石墨：電子主要在石墨片層中移動，室溫下石石墨：電子主要在石墨片層中移動，室溫下石墨電阻：墨電阻：0.44m0.44m，層間電阻很大。，層間電阻很大。 CNTCNT是典型的量子導(dǎo)線，其電導(dǎo)是不連續(xù)的。是典型的量子

9、導(dǎo)線，其電導(dǎo)是不連續(xù)的。用用AFMAFM進(jìn)行電學(xué)性質(zhì)測量，證明了進(jìn)行電學(xué)性質(zhì)測量，證明了CNTCNT是量子是量子導(dǎo)線，觀察到單電子輸運過程。電子的運輸具導(dǎo)線，觀察到單電子輸運過程。電子的運輸具有彈道傳輸?shù)奶攸c有彈道傳輸?shù)奶攸cBallistic transportBallistic transport），指），指電子通過一個導(dǎo)體時，不與雜質(zhì)或聲子發(fā)生任電子通過一個導(dǎo)體時，不與雜質(zhì)或聲子發(fā)生任何散射，既電子在運動過程中無能量耗散。何散射，既電子在運動過程中無能量耗散。CNTCNT電阻率電阻率 測量原理圖 單壁CNT：CNT管束：0.34m-1.0 m 多壁CNT：8.5nm-19.5m ；13.9

10、nm-7.8 m 電阻與溫度和磁場有關(guān)。下列圖: 直徑20nm,長度800nm.單壁單壁CNT的的I-V特性特性 I-V特性呈現(xiàn)階梯狀,表明CNT中電子的運輸出現(xiàn)了單電子運輸現(xiàn)象。CNT AB效應(yīng) AB效應(yīng)Aharonov-Bohm EFFECT）：一薄壁長金屬圓筒的軸向與外磁場方向平行并沿圓筒的軸向通入電流，圓筒的電阻隨外磁場而變化，測得的圓筒電阻為筒內(nèi)磁通的函數(shù), 表現(xiàn)出周期振蕩行為。反映出電子波位相對磁場的依賴性以及隨之而產(chǎn)生的電子分波量子相干。這一干涉效應(yīng)稱為AB效應(yīng)。 當(dāng)磁場平行于碳納米管軸向時，磁場引起納米管的電子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，隨磁場的增加，單壁碳納米管的帶隙發(fā)生震蕩，使金屬性CN

11、T從金屬性變?yōu)榘雽?dǎo)體，隨著磁場增強又變?yōu)榻饘傩?，這一周期取決于磁場強度。 小尺寸CNT在強磁場下才能觀察到AB效應(yīng)，大尺寸容易觀察到AB效應(yīng)：如：0.7nm-10700T；30nm-5.85T納電子三極管 1納米的11，11結(jié)構(gòu)的CNT上生長小CNT，（4，0）。倒“T構(gòu)造。 小碳管為半導(dǎo)體性，大碳管為金屬性的。通過門電壓、電流，可以控制源-漏電極間電流，實現(xiàn)信號放大。這是單電子放大器。單壁CNT為基礎(chǔ)的場效應(yīng)三極管 半導(dǎo)體單壁CNT為基礎(chǔ)的場效應(yīng)三極管模型，其基本單位包含一個半導(dǎo)體性單壁CNT和兩個金屬電極。 通過柵極施加電壓，碳納米管可以從導(dǎo)通狀態(tài)變成絕緣狀態(tài)。1.4 納米棒、納米絲、納米

12、線 納米線、納米絲是一維納米材料，較長的為絲(1u)，較短的為棒。半導(dǎo)體和金屬的納米線又稱量子線。 制備方法： （1CNT模版法 a. 碳化物： CNT+MO(g)MC(s)+CO(g) CNT+MX4(g)MC(s)+2X2 CNT作為先驅(qū)體，流動 Ar保護(hù)，1700下與SiO氣反應(yīng)，無需催化劑，合成了SiC晶須。 2C(s)+SiO(g)SiC(s)+ CO(g) CNT自身的化學(xué)活性和幾何形狀對晶須的生長起決定作用。b. 氮化物： 氮化硅，對Si-SiO2 粉末加熱 1673k，并通 N2 3SiO(g)+3C(CNT)+2N2(g) Si3N4納米絲） +3CO(g) 2SiO(g)+

13、C(CNT)+ N2 (g) Si2N2O納米絲） +CO(g) 生成Si3N4和Si2N2O的混合物，直徑約4-40nm，長幾um GaN: Ga+Ga2O3Ga2O(g) 2Ga2O (g)+CCNT）+4NH3(g)4GaN+H2O(g)+CO(g)+5H2 (g) 對Ga和Ga2O3混合粉末加熱1173 k，并通入NH3，制備出直徑4-50nm，長25um的GaN（2晶體氣固相生長法Vapor-solid, VS制備納米絲 以制備MgO納米絲為例， MgO襯底經(jīng) NiCl2液處理，表面形成了納米尺寸的凹坑和蝕丘；MgO+C混合粉放在管式爐的石墨舟內(nèi)，加熱到1200，Mg蒸氣被流動的Ar

14、帶到襯底上的生長區(qū)。按晶體氣固相生長機(jī)制垂直于襯底表面生長，形成直徑7-40nm，長1-3um的MgO納米絲。 （3金屬有機(jī)化合物氣相外延與晶體的氣-液-固生長法結(jié)合MOVPE與VLS） 制備-族化合物半導(dǎo)體納米線，如GaAs,InAs 制備InAs：在InAs襯底上蒸鍍金層，厚度0.1 nm，熱處理后置于MOVPE裝置中，以TMI三甲基銦為原料，在AsH3氣氛下加熱，反應(yīng)生長InAs。Au對納米線的形成具有催化作用。 (CH3)3In+ AsH3 InAs+3CH4 (4) 溶膠-凝膠與碳熱還原法合成SiC和 Si3N4 以正硅酸乙酯TEOS）、無水乙醇EtOH）、蔗糖C12H22O11和純

15、水為原料，HNO3為催化劑。比例： TEOS：EtOH：H2O=1：4：12.5（ 摩爾） 蔗糖量為：使硅膠中C：Si=4.1：1（ 摩爾） 混合試劑在90枯燥700、N氣中加熱2h含C, SiO2干凝膠）1650、加熱2.5h石墨坩鍋、Ar氣保護(hù)）冷卻至室溫SiC納米絲，形成直徑15-50nm，長20-50um 制備Si3N4時，Ar氣變?yōu)镹2，反應(yīng)溫度1430。 1.5 同軸納米電纜coaxial nanocable） 定義：芯部為半導(dǎo)體或?qū)w的納米絲，外包敷異質(zhì)納米殼體，外部殼體和芯部絲是共軸的。 制備： 電弧放電法制備BN-C和C-BN-C 陰極：石墨 陽極：HfB2 N2中電弧放電，Hf作為催化劑。 產(chǎn)物：部分產(chǎn)物為同軸納米電纜，外徑：4-12nm。有兩種結(jié)構(gòu)：中心BN納米絲，外包石墨; 芯部C絲，外包B