團(tuán)簇的研究現(xiàn)狀與展望

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1、團(tuán)簇的研究現(xiàn)狀及展望摘要：概述團(tuán)簇當(dāng)前的發(fā)展現(xiàn)狀，總結(jié)了團(tuán)簇發(fā)展這么多年來取得的一些進(jìn)步與團(tuán)簇研究過程中遇到的一些有待解決的難題并對團(tuán)簇的發(fā)展前景與方向作了展望。關(guān)鍵詞：團(tuán)簇，微觀結(jié)構(gòu)，尺寸，性能特征1.前言團(tuán)簇研究正在迅速發(fā)展，是跨越原子、分子物理、固體物理、表而物理、量子化學(xué)等諸多學(xué)科的一個交叉學(xué)科。從E.M.Beck等于1956年在噴嘴束屮發(fā)現(xiàn)氫分子的冷凝即氫分子的團(tuán)簇形成算起，將近已有40年的歷史。但團(tuán)簇研究在國際上的迅速發(fā)展還是最近一二十年的事情。與國際的團(tuán)簇研究步伐相比，國內(nèi)的土作起步較晚

2、。從80年代中期開始，國內(nèi)一些單位陸續(xù)開展了團(tuán)簇的實(shí)驗(yàn)與理論研究。2.團(tuán)簇介紹原子與分子團(tuán)簇，簡稱團(tuán)簇(Clustei*)或微團(tuán)簇(microclusters),是兒個乃至上千個原子、分子或離子通過物理或化學(xué)結(jié)合力組成相對穩(wěn)定的微觀與亞微觀聚集體，其物理與化學(xué)性質(zhì)隨所包含的原子數(shù)目而變化。團(tuán)簇的空間尺度是幾人至幾百人的范圍，用分子描述顯得太大，用小塊固體描述又顯得太小，許多性質(zhì)既不同于單個原子分子，乂不同于固體或液體，也不能用兩者性質(zhì)作簡單線性外延與內(nèi)插得到。因此，人們把團(tuán)簇看作是介于原子分子與宏觀固

3、體之間物質(zhì)結(jié)構(gòu)的新層次，有人稱之為物質(zhì)的“第五態(tài)”⑴。正因?yàn)槿绱?，團(tuán)簇可作為各種物質(zhì)由原子分子向大塊物質(zhì)轉(zhuǎn)變過程屮的特殊物相，或者說它代表了凝聚態(tài)物質(zhì)的初始狀態(tài)，象胚胎學(xué)以其特殊的、許多情況下甚至是唯一的方式說明生物學(xué)規(guī)律一樣,團(tuán)簇的研究有助于我們認(rèn)識大塊凝聚物質(zhì)的某些性質(zhì)與規(guī)律2引。團(tuán)簇科學(xué)是研究團(tuán)簇的原子組態(tài)與電子結(jié)構(gòu)、物理與化學(xué)性質(zhì)及其向大塊物質(zhì)演化過程中與尺寸的關(guān)聯(lián)，團(tuán)簇同外界環(huán)境的相互作用規(guī)律等。團(tuán)簇科學(xué)處于多學(xué)科交叉的范疇。從原子分子物理、凝聚態(tài)物理、量子化學(xué)、表面科學(xué)、材料科學(xué)甚至核物理

4、學(xué)引入的概念與方法交織在一起，構(gòu)成當(dāng)前團(tuán)簇究的中心議題，并逐漸發(fā)展成一門介于原子分子物理與固體物理之間的新型學(xué)科。團(tuán)簇研究的基本問題是：弄清團(tuán)簇如何由原子、分子一步步發(fā)展而成，以及隨著這種發(fā)展、團(tuán)簇的性質(zhì)將如何變化，當(dāng)尺寸多大時，團(tuán)簇發(fā)展成宏觀固體⑷人們知道，由若干原子構(gòu)成的分子，如八個硫原子構(gòu)成環(huán)狀分子、磷分子的四面體結(jié)構(gòu)，可在氣相、液相與固相中穩(wěn)定的單元存在，而團(tuán)簇作為原子聚集體往往產(chǎn)生于非平衡條件，很難在平衡的氣相中產(chǎn)生。當(dāng)團(tuán)簇尺寸較小時，每增加一個原子,團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，即所謂重構(gòu)。而當(dāng)團(tuán)簇

5、的大小達(dá)到一定尺寸時，則變成大塊固體的晶體結(jié)構(gòu)，此時除了表面原子存在弛豫外，增加原子數(shù)則不再發(fā)生重構(gòu),其性質(zhì)也不再發(fā)生顯著改變。這個“尺寸誓爾之為臨界尺寸，或叫做關(guān)節(jié)點(diǎn)。各個不同物質(zhì)的關(guān)節(jié)點(diǎn)可能是不同的。因此，知道從一個原子或分子長成固體過程中團(tuán)簇所具有的各種結(jié)構(gòu)序列，是團(tuán)簇研究的重要問題之一。3.團(tuán)簇生原理及方法自然界中，團(tuán)簇粒子存在，如大氣煙霧、宇宙塵埃等。但是用人工方法產(chǎn)生團(tuán)簇是團(tuán)簇物理研究的基礎(chǔ)。目前團(tuán)簇的產(chǎn)生方法分兩大類:物理方法與化學(xué)方法。根據(jù)研究問題的不同，物理方法又分許多種。3.1載氣

6、超聲速噴嘴源⑹金屬在加熱爐里被加熱蒸發(fā)而汽化，金屬蒸汽壓力在103?104Pao為了增加蒸發(fā)室里的壓力,通入惰性氣體，使壓力達(dá)到幾個大氣壓?；旌系慕饘僬羝c惰性氣體，通過一個小噴口進(jìn)入真空室。由于小噴口兩邊的壓力差，束流獲得了很高的速度,成為超聲速分子束。這一過程可以看作是氣體的絕熱膨脹。絕熱膨脹時混合氣體溫度降低，金屬原子過飽與冷凝聚成團(tuán)簇。3.2氣體凝聚團(tuán)簇源它的基木原理是：把放置在垢圳里的所需材料加熱蒸發(fā)，產(chǎn)生金屬蒸汽。然后通入氨氣，并用液氮冷卻。由于氨氣的引入，使得金屬蒸汽溫度過低。在氨氣的凝

7、聚作用下，金屬原子持續(xù)凝聚而成團(tuán)簇。由于團(tuán)簇的再蒸發(fā)幾率很小，因此團(tuán)簇的產(chǎn)額與熱力學(xué)穩(wěn)定性關(guān)系不大。團(tuán)簇產(chǎn)額與團(tuán)簇的直徑有關(guān)，團(tuán)簇的大小由原子之間碰撞的統(tǒng)計(jì)平均值決定。這種源用來產(chǎn)生大團(tuán)簇（團(tuán)簇大小可達(dá)20000個原子/團(tuán)簇）是很有效的，但束流強(qiáng)度弱于載氣超聲速噴嘴源。團(tuán)簇的大小取決于源的各個參數(shù)，如金屬蒸汽密度，氨氣流速率，噴口的直徑等。團(tuán)簇的最終溫度低于超聲速源，而且溫度也取決于源的齊個參數(shù)。3.3激光蒸發(fā)團(tuán)簇源激光蒸發(fā)團(tuán)簇源與其他團(tuán)簇源所不同的是團(tuán)簇束流為脈沖式的。從原理講，這種源可以產(chǎn)生所有的

8、金屬團(tuán)簇。一束強(qiáng)激光經(jīng)聚焦后投射到靶上，激光輻射在照射區(qū)被物質(zhì)所吸收，照射表層下一個薄層被加熱，溫度升高直到物質(zhì)熔化并蒸發(fā)，產(chǎn)牛金屬蒸汽。靶丸由旋轉(zhuǎn)裝置帶動旋轉(zhuǎn)，以保證整個靶都受到激光的照射。氮?dú)庖悦}沖的方式通入系統(tǒng)中，由于氣體的冷卻，使得金屬原子過飽與而凝聚成團(tuán)簇,團(tuán)簇與氣體的混與物經(jīng)噴口射出。3.4濺射團(tuán)簇源它的原理是:離子槍使惰性氣體電離，由引出電極將電離氣體引出，經(jīng)聚焦電極使氣體離子匯聚成束。對離子束加速，使之具有較高的能量。氣體離子轟擊金屬靶表