納米結(jié)構(gòu)單元的種類及其制備、性質(zhì)原子團簇

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1、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(yīng)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

2、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。從結(jié)合方式分范德華力：He、Ne、Ar、Ke、Xe離子鍵：LiFNaClCuBrCsI化學鍵：C60、金屬原子團簇2.1原子團簇的種類特點尺寸：空間尺度為幾個埃到幾百埃的范圍存在形式：不同于單個原子、分子，也不同于固體液體，介于兩者之間產(chǎn)生條件：作為原子聚集體，往往產(chǎn)生于非平衡條件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

3、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（1）蒸發(fā)和氣體冷凝法將物質(zhì)元素或化合物放在低壓的惰性氣體腔室的蒸發(fā)皿中，高溫加熱至氣化，與惰性原子或分子碰撞，迅速冷卻，形成原子團簇。氣體冷凝法形成團簇示意圖氣相合成法(2)激光

4、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

5、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+9H2OCo2B+4NaCl＋12.5H2＋3B(OH)3H2O:氧化作用NaBH4:還原作用2.3原子團簇的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)原子團簇結(jié)構(gòu)絕大多數(shù)原子團簇的結(jié)構(gòu)不確定形狀可以有線狀、層狀、管狀、洋蔥狀、骨架狀、球狀等，團簇中每增加一個原子，團簇結(jié)構(gòu)就要發(fā)生改變2345613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=20,24,28,32,3

6、6,50,60,70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)C50Cl10的結(jié)構(gòu)中國科學院院士鄭蘭蓀廈門大學化學化工學院化學系教授典型原子團簇結(jié)構(gòu)同位數(shù)效應(yīng)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

7、團簇具有較大的產(chǎn)額量子尺寸效應(yīng)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)⑤小尺寸效應(yīng)原子團簇獨特的性質(zhì)源于其結(jié)構(gòu)上的特點，因其尺寸小，處于表面的原子比例極高，而表面原子的幾何構(gòu)型、自旋狀態(tài)以及原子間作用力都完全不同于體相內(nèi)的原子。材料的性質(zhì)與內(nèi)部單元的表面性質(zhì)息息相關(guān)。例如僅僅通過調(diào)節(jié)團簇的大小，物質(zhì)特性就有極大的不同，10個鐵原子的團簇在催化氨合成時要比

8、17個鐵原子的團簇效能高出1000倍。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