纳米化学与纳米材料

1、第二章第二章 纳米化学基本概念纳米化学基本概念 与纳米材料与纳米材料 广义地讲，纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米广义地讲，纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的具有特殊性能的材料。尺度范围或由它们作为基本单元构成的具有特殊性能的材料。 1、定义、定义2、分类、分类1）如果按照维数，纳米材料可以分为以下三类：）如果按照维数，纳米材料可以分为以下三类：（1）零维纳米材料零维纳米材料：指空间三维尺度均在纳米尺度范围内的：指空间三维尺度均在纳米尺度范围内的材料，如，纳米尺度颗粒、原子团簇等。材料，如，纳米尺度颗粒、原子团簇等。2、分类、分类（2）一维纳米

2、材料一维纳米材料：指空间三维尺度中，有二维尺度处于：指空间三维尺度中，有二维尺度处于纳米尺度范围内的材料，如，纳米丝、纳米棒、纳米管等。纳米尺度范围内的材料，如，纳米丝、纳米棒、纳米管等。（3）二维纳米材料二维纳米材料：指空间三维尺度中，有一维尺度处于：指空间三维尺度中，有一维尺度处于纳米尺度范围内的材料，如，纳米薄膜等。纳米尺度范围内的材料，如，纳米薄膜等。TEM下的纳米颗粒下的纳米颗粒纳米粉末纳米粉末纳米材料的分类纳米材料的分类SEM下的纳米纤维下的纳米纤维纳米纤维纳米纤维1、团簇的分类：、团簇的分类：1）一元原子团簇，如，）一元原子团簇，如，Nan， Nin， C60， C702）二元团

3、簇，如，）二元团簇，如，InnPm， AgnSm3）多元团簇，如，）多元团簇，如，Vn(C6H6)m4）原子簇化合物，是原子团簇与其它分子以配位键结）原子簇化合物，是原子团簇与其它分子以配位键结合形成的化合物（例如，某些合形成的化合物（例如，某些Fe-S团簇的蛋白质分子）团簇的蛋白质分子）1985年前，碳的固体形态只有两种：金刚石与石墨年前，碳的固体形态只有两种：金刚石与石墨1985年，美国科学家斯莫利、年，美国科学家斯莫利、柯尔与英国科学家克罗托合作，柯尔与英国科学家克罗托合作，共同发现了碳的第三种同素异共同发现了碳的第三种同素异形体：富勒烯，这三位获诺贝形体：富勒烯，这三位获诺贝尔化学奖。

4、尔化学奖。 1991年日本科学家年日本科学家Iijima在制备富在制备富勒烯后的石墨阴极沉积物上发现了勒烯后的石墨阴极沉积物上发现了碳的第四种同素异形体碳的第四种同素异形体: 碳纳米管碳纳米管 。 C802022-4-24182.2 纳米粒子纳米粒子纳米颗粒的定义纳米颗粒的定义：用电子显微镜才能看到的颗粒：用电子显微镜才能看到的颗粒称为纳米微粒。纳米微粒所含原子数范围在称为纳米微粒。纳米微粒所含原子数范围在103107个（个（1-100 nm）。）。2022-4-2421纳米晶2022-4-24242022-4-24252022-4-24262022-4-24272022-4-2428单壁碳纳

5、米管直径为1-6 nm多壁碳纳米管直径nm m碳薄片碳薄片纳纳米碳管米碳管捲起捲起理想碳纳米管理想碳纳米管是由碳原子形成的是由碳原子形成的石墨烯片层卷成的石墨烯片层卷成的无缝、中空的管体。无缝、中空的管体。石墨烯的片层一般石墨烯的片层一般可以从一层到上百可以从一层到上百层，含有一层石墨层，含有一层石墨烯片层的称为单壁烯片层的称为单壁碳纳米管碳纳米管(SWNT)，多于一层的则称为多于一层的则称为多 壁 碳 纳 米 管多 壁 碳 纳 米 管(MWNT)。碳纳米管的高碳纳米管的高分辨电子显微分辨电子显微镜照片，从左镜照片，从左到右为到右为SWNT，MWNT (包含包含2层、层、3层、层、4层层石墨片

6、层石墨片层)Low temperature STM images of a carbon nanotuben高的机械强度和弹性。高的机械强度和弹性。 强度强度100倍的钢，密度倍的钢，密度1/6倍的钢倍的钢电电子子枪枪的位置的位置手提电话电池手提手提电脑电脑电电池池数码相机数码相机电池电池2022-4-24纳米收音机纳米收音机2007 年，美国加利福尼亚大学伯克利分年，美国加利福尼亚大学伯克利分校的物理学家亚历克斯校的物理学家亚历克斯策特尔策特尔(Alex Zettl)及其同事发明了一种纳米管收音机，及其同事发明了一种纳米管收音机，拥有一身令人称奇的好功夫：单单一根拥有一身令人称奇的好功夫：单

7、单一根碳纳米管就可以接收广播信号，放大并碳纳米管就可以接收广播信号，放大并转换成音频信号，发送到外接扩音器上。转换成音频信号，发送到外接扩音器上。策特尔宣称，纳米收音机将策特尔宣称，纳米收音机将“轻松嵌入轻松嵌入一个活细胞。到时候，制造一个与大脑一个活细胞。到时候，制造一个与大脑或肌肉功能接口的装置，或者能用无线或肌肉功能接口的装置，或者能用无线电控制在血管中游动的器件将不再是梦电控制在血管中游动的器件将不再是梦想想”。 2.4 量子阱（量子阱（quantum wells）、量子线（）、量子线（quantum lines） 量子点（量子点（quantum dots）因为纳米结构单元具有因为纳米

8、结构单元具有量子性质，所以对零维、量子性质，所以对零维、一维和二维的基本单元分一维和二维的基本单元分别又有量子点、量子线和别又有量子点、量子线和量子阱之称。量子阱之称。量子阱量子阱：是指载流子在两个方向：是指载流子在两个方向(如在如在X，Y平面内平面内)上可以自上可以自由运动，而在另外一个方向由运动，而在另外一个方向(Z)则受到约束，即材料在这个方则受到约束，即材料在这个方向上的特征尺寸与电子的德布罗意波长（向上的特征尺寸与电子的德布罗意波长（d=h/(2mE)1/2）或）或电子的平均自由程（电子的平均自由程（L2DEG=h/q.(2ns)1/2）相比拟或更小。）相比拟或更小。有时也称为二维超

9、晶格。有时也称为二维超晶格。量子线：量子线：是指载流子仅在一个方向上可以自由运动，而在另是指载流子仅在一个方向上可以自由运动，而在另外两个方向上则受到约束。也叫一维量子线。外两个方向上则受到约束。也叫一维量子线。量子点：量子点：是指载流子在三个方向上的运动都要受到约束的材是指载流子在三个方向上的运动都要受到约束的材料体系，即电子在三个维度上的能量都是量子化的。也叫零料体系，即电子在三个维度上的能量都是量子化的。也叫零维量子点。维量子点。当金属或半导体粒子的尺寸足够小时，将产生量子限制当金属或半导体粒子的尺寸足够小时，将产生量子限制效应，即微粒的电荷和能量是量子化的，这样的微小粒效应，即微粒的电

10、荷和能量是量子化的，这样的微小粒子团被称为子团被称为量子点量子点。由于由于量子局限效应量子局限效应会导致类似原子的不连续电子会导致类似原子的不连续电子能阶结构能阶结构,因此量子点又被称为因此量子点又被称为人造原子人造原子2022-4-24472022-4-24522022-4-2453high-resolution, low-temperature scanning tunneling microscope (STM) (Science-1 February 2002) JACS 2005Semiconductor Rings Fabricated by Self-Assembly of NanocrystalsBin Liu and Hua Chun Zeng*Contribution from the Department of Chemical and Biomolecular Engineering,Faculty of Engineering, National UniVersity of Singapore,10 Kent Ridge Crescent, Singapore 119260中科院物理所先进材料与结构分析实验室李超荣副研究员、张晓娜、表面物理国家重点实验室曹则贤研究员通过应