信息纳米技术及其应用CH 1 纳米结构单元(2009).ppt
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1、CH1 纳米结构基本单元 1.1团簇(cluster)原子团簇:几个至几百个原子的聚集体,粒径1nm一元原子团簇:金属团簇、非金属团簇(富勒烯Fullerene)(C60,C70)富勒烯:由C原子形成的笼形分子。二元原子团簇:InnPm,AgnSm多元原子团簇:Vn(C6H6)m性质:异常高化学活性、高催化性、具有量子尺寸效应和光的非线性效应等。C60由60个C原子排列于一个截角20面体的顶角上,构成足球式的中空球形分子。32面体:20个六边形,12个五边形。直径0.7nm。构成C团簇的原子数(称为幻数)为20,24,28,32,36,50,60和70的结构较稳定,其中,C60最稳定。由石墨棒
2、在惰性气体(He,Ar)中直流电弧放电制得。1.2 纳米微粒纳米微粒(Nanoparticles)的尺寸大于团簇,小于通常的微粉。如:纳米氧化物粉:纳米ZnO粉 纳米TiO2粉 纳米化合物粉:纳米BaTiO3粉 纳米金属粉:纳米金属Ag粉 纳米Ni粉,纳米Cu粉1.3 碳纳米管1.3.1 碳纳米管(Carbon nanotubes)(CNT)概念碳纳米管:由石墨稀片卷成的、直径为纳米尺度的圆筒,其两端由富勒烯半球封帽而成。单壁碳纳米管(Single-walled carbon nanotubes,SWNT):由一层C原子构成,直径约1-2 nm,观察到的最小尺寸为0.33 nm多壁碳纳米管(M
3、ulti-walled carbon nanotubes,MWNT):由几个至几十个单壁CNT同轴构成。层间距约0.34 nm,直径约几nm至几十nm,长度一般是微米级,也可达到毫米级。1.3.2 SWCNT分类单壁碳纳米管按手性可分为三种:扶手型(单臂型)、锯齿型和手性型(螺旋型)单位矢量:a1、a2 手性矢量:Ch=n a1+m a2 手性角:Ch与a1的夹角 CNT的性能由Ch和确定 扶手型:n=m,=30 锯齿型:m=0,=0 手性型:030na1 ma2 Ch和tan计算 =CNT的性能由直径d和手性角确定,d 和取决于n和m m=n,=30o,单臂型CNT(扶手型)m=0,=0,锯
4、齿型CNT 手性型CNT,0 30oCNT(4,0)d=0.32nm=0(11,11)d=1.51nm=301.3.3 CNT合成方法 电弧法:在惰性气氛中,两根石墨电极直流放电,阴极上产生C纳米管。热解法:过渡金属作催化剂,700-1600K条件下,通过C、H化合物分解制备CNT。激光蒸发法:激光刻蚀高温炉中的石墨靶,在Co-Ni催化剂作用下形成CNT,由流动的Ar气将CNT载入水冷收集器。制备单壁碳纳米管需要催化剂,多壁碳纳米管可以不要催化剂,管径尺寸与分布取决于催化剂成分、生长温度等。电弧法制备CNT在惰性气氛中,两根石墨电极直流放电,阴极上产生C纳米管。控制气体种类及压力,电压及电流等
5、,可较大量地制备出CNT。液N保护连续制备CNT液N保护电弧区生成CNT CNT沉积,特点:结构简单;反应效率高;产物质量好:4-8层CNT,纯度高。制备单壁CNT,使用催化剂:Fe,Co,Ni等。电弧产物:无定型C、C60、另有催化剂颗粒杂质等。电弧法制备的SWCNT热解法制备CNT过渡金属作催化剂,700-1600K条件下,通过C、H化合物分解制备CNT。催化剂:Fe,Co,Ni等。催化热解法成本低、产量大,实验条件易控制,通过控制催化剂模式,可制备出高质量的多壁CNT和定向排列的CNT阵列。按催化剂加入方式分三种:基体法、喷淋法、流动催化法基体法制备CNT催化剂颗粒附着于基体上,高温下通
6、入含C气体并在催化颗粒处析出CNT。激光蒸发法制备CNT激光蒸发法:激光刻蚀高温炉中的石墨靶,在Co-Ni催化剂作用下形成CNT,由流动的Ar气将CNT载入水冷收集器。激光蒸发法可制备出高质量的单壁CNT。制备CNT阵列催化热解法:SiO2基体,纳米Fe为催化剂,700分解乙炔。CNT垂直于基体方向生长,长约50um1.3.4 CNT电性能及应用CNTCNT的导电性能与其结构和手性有关:的导电性能与其结构和手性有关:所有Armchair型SWCNT(n,n)具有金属导电性;对于锯齿型(n,0),当n为3的倍数时,为金属性;其它情况为半导体性。对于螺旋型,(n,m),当结构指数满足2n+m=3q
7、(q为整数),表现为金属性;其他类型则为半导体性,Eg为:1.7-2.0eV。CNT结:不同直径和螺旋角的CNT相连接可形成:M-S,S-S,M-M纳米异质结。CNT可作为新型纳米电子器件的基本结构单元。CNT能带结构与电子态密度CNTCNT中的电子运输中的电子运输石墨:石墨:电子主要在石墨片层中移动,室温下石墨电阻:0.44m,层间电阻很大。CNTCNT是典型的量子导线是典型的量子导线,其电导是不连续的。用AFM进行电学性质测量,证明了CNT是量子导线,观察到单电子输运过程。电子的运输具有弹道传输的特点(Ballistic transport),指电子通过一个导体时,不与杂质或声子发生任何散
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