納米結(jié)構(gòu)單元的種類及其制備、性質(zhì)原子團簇課件

第二章：納米結(jié)構(gòu)單元的種類

及其制備、性質(zhì)1

團簇2

納米顆粒3

納米管、納米棒、納米絲原子團簇2.1原子團簇的種類2.2原子團簇的制備方法2.3原子團簇的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)2.4原子團簇的研究意義及用途2.5C60的制備、性能及應用2.1原子團簇的種類原子團簇:

幾個至幾千個原子或離子通過物理或化學力結(jié)合，組成相對穩(wěn)定的微觀或亞微觀聚集體，其物理和化學性質(zhì)隨所含的原子數(shù)目而變化的聚集體，簡稱團簇(cluster)一元原子團簇金屬團簇，如Nan,Nin等非金屬團簇碳簇，如C60,C70非碳簇，如B,P,S,Si簇二元原子團簇：如InnPm,AgnSm等多元原子團簇：Vn(C6H6)m等

種類從原子種類數(shù)目分原子團簇與其他分子以配位化學鍵結(jié)合形成的化合物。2.2原子團簇的制備方法人工產(chǎn)生團簇的基本方法：真空合成法氣相合成法凝聚相合成法2.2原子團簇的制備方法真空合成法（濺射和2次離子發(fā)射）用幾至幾十keV載能粒子（離子或中性粒子）轟擊固體表面，使固體表面濺射出各種次級粒子－電子、離子、原子和團簇等（入射粒子通常用惰性氣體原子或離子）濺射產(chǎn)生團簇的原理2.氣相合成法2.2原子團簇的制備方法氣相團簇形成的條件：產(chǎn)生大量單體（單原子或雙原子分子）急冷過程（與惰性氣體原子碰撞或絕熱膨脹）而使單體冷卻單體聚集成簇或團簇之間碰撞而長大氣相團簇產(chǎn)生方式：單體在惰性原子的氣氛中聚集單體本身冷卻而生長成團簇(2)激光蒸發(fā)和激光熱解利用光學聚焦系統(tǒng)把激光聚焦到很小的區(qū)域，使焦耳級的能量作用到固體靶表面，靶表面微區(qū)溫度極高（可達上萬度），發(fā)生離子發(fā)射或中性粒子蒸發(fā)，再用惰性氣體冷卻，聚集成團簇。獲得難熔物質(zhì)的團簇。激光蒸發(fā)原理示意圖氣相合成法(3)超聲膨脹用于制備范德瓦爾斯團簇，特別是惰性氣體團簇。使處在高壓的純凈氣體經(jīng)過一個小孔，向真空膨脹，即把氣體內(nèi)能轉(zhuǎn)換為橫向能量，從而冷卻下來，凝聚形成團簇絕熱膨脹原理示意圖氣相合成法凝聚相合成法

目前，凝聚相合成主要是用化學法制備金屬，半導體和化合物分子團簇，如膠體化學、水解、共沉淀、溶劑蒸發(fā)等。一般凝聚相合成法制備的團簇直徑幾十到幾百納米。金屬離子酸性水溶液還原劑分離明膠納米金屬團簇2CoCl2＋4NaBH4+9H2O

Co2B+4NaCl＋12.5H2＋3B(OH)3H2O:氧化作用NaBH4:還原作用原子團簇的結(jié)構(gòu)少數(shù)團簇存在穩(wěn)定結(jié)構(gòu)與幻數(shù)惰性元素：Xe團簇，n=7,13,19,55[Li7(7)Li7(6)F14]+C60固體的質(zhì)譜Xe團簇的質(zhì)譜碳團簇：n=20,24,28,32,36,50,60,70在團簇質(zhì)譜分析中，含有某些特殊原子數(shù)的團簇的強度呈現(xiàn)峰值，表明這些團簇特別穩(wěn)定，所含原子數(shù)即為幻數(shù)。[Li(LiF)n]+,n=13,14堿金屬鹵化物團簇：[Li7(7)Li6(6)F13]+含特定原子數(shù)金屬團簇具有能量最低的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)團簇Nan和Na+的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)原子團簇的結(jié)構(gòu)典型原子團簇結(jié)構(gòu)石墨的結(jié)構(gòu)金剛石的結(jié)構(gòu)C60的結(jié)構(gòu)典型原子團簇結(jié)構(gòu)同位數(shù)效應Cu團簇：Cu63100%,Cu6541.66%Cu團簇的原子數(shù)具有奇偶性質(zhì)，具有奇數(shù)原子的團簇具有較大的產(chǎn)額量子尺寸效應在臨界尺寸以下，團簇電子最低允許躍遷能量較大，大于臨界尺寸后，躍遷能逐漸接近大塊材料原子團簇的性質(zhì)磁性平均有效磁矩隨團簇尺寸增大而增加，鐵磁性物質(zhì)的團簇具有超順磁馳豫光學性質(zhì)納米級的鐵原子團簇對紅外輻射具有較好的吸收特性原子團簇的性質(zhì)2.4原子團簇的研究意義及用途模擬研究自然界的需要為新材料的制備開辟了新的途徑宇宙分子和塵埃大氣煙霧和溶膠云層形成和發(fā)展天體演化大氣污染控制氣候人工調(diào)節(jié)利用團簇紅外吸收系數(shù)、電導特性和磁化率的異常變化，某些團簇超導臨界溫度的提高，用于制備新型敏感元件、貯氫材料、磁性液體、微波及紅外吸收材料、超導材料等。為量子和經(jīng)典理論研究提供合適的體系2.5C60的制備、性能及應用C60的結(jié)構(gòu)特征除金鋼石、石墨外的碳的第3種同素異構(gòu)體，是當前能大量制備及分離的團簇1984年Kroto激光汽化石墨實驗中發(fā)現(xiàn)又名富勒烯(fullerenes)、足球烯、布基球(Buckyballs)、碳籠烯二十個六面體、十二個五面體C60的制備激光蒸發(fā)法苯燃燒法含氬氣的氧氣中燃燒苯(或乙炔)化學合成法稠環(huán)化合物(萘、蒽、菲)真空低溫等離子體化學氣相沉積于以(100)晶面的硅單晶襯底聚合物薄膜中含C601kg苯3g(C60+C70)低壓燃燒器C60的性質(zhì)化學性質(zhì)C60具有缺電子的性質(zhì)，六元環(huán)間的雙鍵(30個)為反應的活性部位，因而可發(fā)生氫化、鹵化、氧化還原、環(huán)加成、光化與催化及自由基加成等多種化學反應。氫化反應C60＋Li+液氨＋正丁醇Birch反應C60H18+C60H36(甲苯＋DDQ)中回流DDQ：二氯二氰對苯醌氟化C60C60F6、C60F42、C60F60(特氟隆球)高溫潤滑劑表面可進行化學修飾有機基團接枝金屬鍵合作催化劑籠內(nèi)可裝填原子分子金屬離子可裝入C60籠中K、Na、Cs(銫)、La、Ca、Ba、Sr(鍶)C60的性質(zhì)1)研究團簇的組成及電子構(gòu)型的規(guī)律、幻數(shù)和幾何結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性的規(guī)律；2)研究團簇的成核和形成過程及機制，研究尺寸均一團簇的制備方法3)研究金屬、半導體及非金屬和各種化合物團簇的光、電、磁、力學、化學等性質(zhì)，它們與結(jié)構(gòu)和尺寸的關(guān)系，及向大塊物質(zhì)轉(zhuǎn)變的關(guān)節(jié)點；4)研究