纳米结构单元的种类及其制备、性质原子团簇课件

第二章：纳米结构单元的种类

及其制备、性质1

团簇2

纳米颗粒3

纳米管、纳米棒、纳米丝原子团簇2.1原子团簇的种类2.2原子团簇的制备方法2.3原子团簇的结构与性质2.4原子团簇的研究意义及用途2.5C60的制备、性能及应用2.1原子团簇的种类原子团簇:

几个至几千个原子或离子通过物理或化学力结合，组成相对稳定的微观或亚微观聚集体，其物理和化学性质随所含的原子数目而变化的聚集体，简称团簇(cluster)一元原子团簇金属团簇，如Nan,Nin等非金属团簇碳簇，如C60,C70非碳簇，如B,P,S,Si簇二元原子团簇：如InnPm,AgnSm等多元原子团簇：Vn(C6H6)m等

种类从原子种类数目分原子团簇与其他分子以配位化学键结合形成的化合物。2.2原子团簇的制备方法人工产生团簇的基本方法：真空合成法气相合成法凝聚相合成法2.2原子团簇的制备方法真空合成法（溅射和2次离子发射）用几至几十keV载能粒子（离子或中性粒子）轰击固体表面，使固体表面溅射出各种次级粒子－电子、离子、原子和团簇等（入射粒子通常用惰性气体原子或离子）溅射产生团簇的原理2.气相合成法2.2原子团簇的制备方法气相团簇形成的条件：产生大量单体（单原子或双原子分子）急冷过程（与惰性气体原子碰撞或绝热膨胀）而使单体冷却单体聚集成簇或团簇之间碰撞而长大气相团簇产生方式：单体在惰性原子的气氛中聚集单体本身冷却而生长成团簇(2)激光蒸发和激光热解利用光学聚焦系统把激光聚焦到很小的区域，使焦耳级的能量作用到固体靶表面，靶表面微区温度极高（可达上万度），发生离子发射或中性粒子蒸发，再用惰性气体冷却，聚集成团簇。获得难熔物质的团簇。激光蒸发原理示意图气相合成法(3)超声膨胀用于制备范德瓦尔斯团簇，特别是惰性气体团簇。使处在高压的纯净气体经过一个小孔，向真空膨胀，即把气体内能转换为横向能量，从而冷却下来，凝聚形成团簇绝热膨胀原理示意图气相合成法凝聚相合成法

目前，凝聚相合成主要是用化学法制备金属，半导体和化合物分子团簇，如胶体化学、水解、共沉淀、溶剂蒸发等。一般凝聚相合成法制备的团簇直径几十到几百纳米。金属离子酸性水溶液还原剂分离明胶纳米金属团簇2CoCl2＋4NaBH4+9H2O

Co2B+4NaCl＋12.5H2＋3B(OH)3H2O:氧化作用NaBH4:还原作用原子团簇的结构少数团簇存在稳定结构与幻数惰性元素：Xe团簇，n=7,13,19,55[Li7(7)Li7(6)F14]+C60固体的质谱Xe团簇的质谱碳团簇：n=20,24,28,32,36,50,60,70在团簇质谱分析中，含有某些特殊原子数的团簇的强度呈现峰值，表明这些团簇特别稳定，所含原子数即为幻数。[Li(LiF)n]+,n=13,14碱金属卤化物团簇：[Li7(7)Li6(6)F13]+含特定原子数金属团簇具有能量最低的稳定结构团簇Nan和Na+的稳定结构原子团簇的结构典型原子团簇结构石墨的结构金刚石的结构C60的结构典型原子团簇结构同位数效应Cu团簇：Cu63100%,Cu6541.66%Cu团簇的原子数具有奇偶性质，具有奇数原子的团簇具有较大的产额量子尺寸效应在临界尺寸以下，团簇电子最低允许跃迁能量较大，大于临界尺寸后，跃迁能逐渐接近大块材料原子团簇的性质磁性平均有效磁矩随团簇尺寸增大而增加，铁磁性物质的团簇具有超顺磁驰豫光学性质纳米级的铁原子团簇对红外辐射具有较好的吸收特性原子团簇的性质2.4原子团簇的研究意义及用途模拟研究自然界的需要为新材料的制备开辟了新的途径宇宙分子和尘埃大气烟雾和溶胶云层形成和发展天体演化大气污染控制气候人工调节利用团簇红外吸收系数、电导特性和磁化率的异常变化，某些团簇超导临界温度的提高，用于制备新型敏感元件、贮氢材料、磁性液体、微波及红外吸收材料、超导材料等。为量子和经典理论研究提供合适的体系2.5C60的制备、性能及应用C60的结构特征除金钢石、石墨外的碳的第3种同素异构体，是当前能大量制备及分离的团簇1984年Kroto激光汽化石墨实验中发现又名富勒烯(fullerenes)、足球烯、布基球(Buckyballs)、碳笼烯二十个六面体、十二个五面体C60的制备激光蒸发法苯燃烧法含氩气的氧气中燃烧苯(或乙炔)化学合成法稠环化合物(萘、蒽、菲)真空低温等离子体化学气相沉积于以(100)晶面的硅单晶衬底聚合物薄膜中含C601kg苯3g(C60+C70)低压燃烧器C60的性质化学性质C60具有缺电子的性质，六元环间的双键(30个)为反应的活性部位，因而可发生氢化、卤化、氧化还原、环加成、光化与催化及自由基加成等多种化学反应。氢化反应C60＋Li+液氨＋正丁醇Birch反应C60H18+C60H36(甲苯＋DDQ)中回流DDQ：二氯二氰对苯醌氟化C60C60F6、C60F42、C60F60(特氟隆球)高温润滑剂表面可进行化学修饰有机基团接枝金属键合作催化剂笼内可装填原子分子金属离子可装入C60笼中K、Na、Cs(铯)、La、Ca、Ba、Sr(锶)C60的性质1)研究团簇的组成及电子构型的规律、幻数和几何结构、稳定性的规律；2)研究团簇的成核和形成过程及机制，研究尺寸均一团簇的制备方法3)研究金属、半导体及非金属和各种化合物团簇的光、电、磁、力学、化学等性质，它们与结构和尺寸的关系，及向大块物质转变的关节点；4)研究