纳米材料与技术--纳米结构单元(共5页).doc
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1、精选优质文档-倾情为你奉上第一章 纳米结构单元专心-专注-专业一、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、量子尺寸、几何尺寸效应、掺杂物性等(5)研究:多学科交叉% C60:
2、寻找星际间分子而发现 2纳米微粒:超微粒子(ultra-fine particle)(1)定义:尺寸在nm量级的超细微粒,尺度在1100nm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人造原子(artificial atom, 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
3、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、一维单元1碳纳米管(Bucky Tube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(Sumio Iijima)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
4、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0.4 nm 几十nm,长度一般是几十nm至数微米,甚至毫米级。 单壁纳米碳管(Single walled carbon nanotubes, SWNTs):含有一层石墨烯片层。直径一般为16 nm,最小直径大约为0.4 nm。因为最小直径与富勒烯分子类似,也称为富勒管或巴基管(Bucky tube)。 多壁纳米碳管( Multi-walled carbon nanotubes, 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
5、到几十纳米。 碳纳米纤维( Carbon nanofibers, 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,中间是中空管。(2)分类依构成nm管截面圆周的手性矢量(chiral vector) 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,n a1+ m a2 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
6、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。n - m= 3qq为整数时, (n,m)纳米管为金属性的(无能隙)。 单臂纳米管均为金属性 (n = m) 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) 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 全碳电子元件(微型化、高性能、低能耗)ii)
7、 力学特性: 单壁纳米管的抗张强度比钢高100倍,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 碳纳米管阵列体系 场发射器件 单壁碳纳米管的压电系数高 人工肌肉 碳纳米管 + 电极 纳米镊子(nanotweezer) 半导性单壁碳纳米管 化学传感器 碳纳米管线路 器件微型化 碳纳米管的弹性 纳米秤(飞克级的病毒) (4)制备目 标:连续批量生产;结构分布均匀且可控; 成本低,适宜商业生产;纯度高、易分散。关键因素:碳源;催化剂及载体;制备条件。 ? 催化剂单壁纳米管 ? 催化剂、温度等纳米管
8、直径的分布 石墨棒直流电弧放电法(Arc Discharge) 碳氢化合物催化热分解法,又称CVD法 激光蒸发气相沉积法 火焰法 第五种形态固体碳(碳纳米泡沫)近几十年来,人们对新奇的碳结构的研究有着很大兴趣,比如巴基球结构和纳米管结构。1997年,澳大利亚的研究者又发现了另外一种碳的形态:蛛网状、与分形相似的合成物,他们称之为纳米泡沫。泡沫由团簇构成,大概包含4000个原子,其中很多团簇连在一起形成纤细的网。这些团簇每个直径大约6纳米,似乎形成了石墨层,包含在七边形内。与巴基球的情形正好相反,这种构型令石墨层有了负曲率,即双曲鞍形。如此多的空洞弥散在整个网中,使这种纳米泡沫的密度仅有海平面上
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