纳米材料与团簇物理

《纳米材料与团簇物理》

课程报告

题目纳米团簇研究进展及其应用指导教师魏智强

姓名祝杰

班级08级9班

学号082070205016

纳米团簇研究进展及其应用

团簇和纳米体系是20世纪末发展起来的崭新领域，它所研究的对象是既不同于原子、分子，又不同于宏观物体的中间体系，现在普遍认为直径在1～100n m尺寸的颗粒属纳米粒子的范畴。这段尺寸的粒子的物理和化学性质与大于100 nm以上的粒子有着明显的区别，但对其性质远没有深入研究。迄今人工合成的最新枝状化合物的最大尺寸还只能达到10nm，而光刻的最小尺寸也只能接近10 0nm( Intel公司PentiumIII微处理器使用的光刻技术达到180nm)，胶体粒子和纳米团簇的尺寸大体位于这一间隙。因此纳米团簇的发现正为填补这段间隙的研究架起了桥梁。虽然早在1857年Faraday就对纳米级的金属胶体的制备和性质有所研究，但真正有目的地研究纳米材料却还是在20世纪60年代，到20世纪80年代这方面的研究进程才明显加快。这是人们过去从未进行研究的新领域，是人们认识物质世界的新层次。它的丰富物理内涵，对物理提出了新的挑战，也是当前物理与其它学科交叉最富有活力的热点领域。

团簇和纳米体系是研究介观尺寸范围内出现的物理现象和物理效应。纳米体系物理主要是探索尺寸限域引起的量子尺寸效应、量子限域效应、宏观量子隧道效应和表面效应，从而导致纳米体系具有与常规宏观体系和微观体系不同的新的物理现象和效应。由于纳米材料尺寸小，与电子的德布洛意波长、超导相干波长及激子玻尔半径相比拟，电子局限在一个体积十分小的纳米空间，电子输运受到限制，电子平均自由程很短，电子的局域性和相干性增强。尺度下降使纳米体系包含的原子数大大降低，宏观固体的准连续能带消失了，表现了分立的能级，量子尺寸效应十分显著，这使得纳米体系的光、热、电、磁等物理性质与常规材料不同，出现许多新奇特性。例如纳米材料的熔点显著降低。一般来讲，纳米结构材料与其对应的正常态材料相比，密度降低，强度和硬度提高，塑韧性改善，扩散能力提高，热膨胀系数增加，导热性减小，弹性模量降低。此外还具有一些独特的物理性能，如超弹性模量现象、磁致热效应等。

对纳米粒子的研究大体分为个体研究和群体研究两类。对纳米材料的个体研究需要精确的设备及微操纵系统，它是纳米材料学研究的基础。而对纳米粒子群体的研究则以组装纳米材料及其器件的研究最具理论和应用价值。对具有特异性的单个分子团簇、原子簇进行有序的组装或制备特定的器件，可以使分子团簇、原子簇的特异性、微观性在宏观上得以表达，使无序的状态变成有序状态，使简单的组装研究向自组装方向发展。纳米团簇可以组装成超晶格，在新层次上获得新功能和新特性。纳米材料的界面结构和表面结构能够影响材料的性质，由于纳米粒子的直径比较接近电子的平均自由程，所以许多宏观的物理和化学理论已不再适用于纳米粒子，现在一些新的理论已应运而生。纳米粒子的几个主要的特性表现为：①表面效应。当固体粒子直径小于100nm时，固体表面的特殊性质开始表现出来，这主要是由于表面原子数目占主体原子数目的比例开始明显升高，粒子越小，表面原子数占主体原子数的比例就越高。纳米粒子表面的许多原子处于多个方位无原子接近的状态，所以活性很高，易发生位置的移动或与周围的其

他物质发生作用。纳米粒子的这一性质已被广泛用于催化反应和表面修饰的研究中。②久保( Kubo)效应。Kubo效应是指当粒子尺寸下降到一定值时，费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象。③稳定性与幻数。许多原子团簇中原子的个数不是任意的。对某一特定原子团簇而言，只有原子数为某些固定值时，团簇才有最高的稳定性，原子团簇以这些数目出现的概率最高。人们把相对稳定的团簇中所包括的原子个数( n)称为幻数。不同元素的团簇其幻数是不同的，即使同一元素，若制备方法不同其幻数也可能不一样。

纳米团簇化合物是指纳米粒子与其他离子、分子和超分子通过化学键或分子间力结合形成具有新的特性和功能的化合物或超分子。它又被称为单层保护团簇。对纳米粒子表面进行单层有序的修饰可以赋予纳米粒子以新的功能和特性，这一过程又称为对纳米粒子进行三维单层自组装。对纳米粒子表面进行修饰可以实现如下目的：①提高纳米粒子的稳定性。在液相中，由于金属纳米粒子表面的高活泼性使稳定性一般比较差，而修饰过的纳米粒子的稳定性明显提高。通过修饰可制得每个颗粒相对独立的固态粉末，颗粒之间不易聚集使纳米粒子特异效应的表达更加充分。②实现催化功能。表面可以修饰上各种各样的活性基团，对均相和异相化学反应、光化学反应和电化学反应起催化作用。③有利于纳米粒子之间的自组装。纳米粒子表面修饰的离子、聚合物、分子或超分子与其他表面修饰的纳米粒子相互作用自组装成超晶格。对纳米粒子表面的修饰可以在制成的粒子表面修饰，也可以在制备纳米粒子过程中进行修饰。

万物皆由原子分子构成，但原子分子如何构成大块物质，其中一个重要的过渡区域就是团簇。团簇是介于微观原子分子与宏观固体之间物质结构的新层次，具有奇异的物理化学性质。研究原子团簇的形成、结构和性质为研制新型结构与功能材料开辟了一条崭新途径，至今该领域已取得如下一些重大进展。下面对不同类型的団簇进行一个简单的介绍。

Hn 团簇与纳米金属氢材料的研究：对氢原子团簇和金属氢形成的理论研究非常重要，一方面，它是原子与分子物理学和凝聚态物理学的重要前沿。利用量子力学新方法来研究Hn的形成，可了解从少数氢原子到多数氢原子的凝聚规律，以及如何过渡到大块金属氢材料，为材料设计提供依据，且不断完善和发展现有的处理凝聚态的理论方法。这种从原子分子层次出发来研究和设计新材料的指导思想，是当前材料科学发展的一大趋势。另一方面，苟清泉提出了从氢原子团簇的定量计算与分析入手来研究金属氢的形成，进而阐明高压合成金属氢的可能性。该物理思想实际上把超高压合成的金属氢视为由纳米级的氢原子团簇组成。即金属氢是一种纳米金属材料。过去我们用改进的排列通道量子通道量子力学方法(MACQM)对Hn和H+n的结构与能量进行了理论研究和计算。结果表明，面心立方结构(FCC)的金属氢比体心立方结构(BCC)及六角密堆积结构(HCP)更稳定，从而较全面地验证了金属氢高压合成机理的合理性。接着发现FCC结构的纳米金属氢具有Kubo效应。Hn 团簇的结合能和第一电离能均存在明显的尺寸关联效应和形状关联效应。我们的理论研究表明，只要研究好一个晶胞的原子团簇的形成问题，就可推知大单晶的形成问题，这实际上为晶体的形成与长大提出了一个根本的新理论。金属氢不仅是一种高效核聚变燃料的高效炸药，而且是一种高温超导材料(理论预言Tc=308K)。关于它的高压合成目前取得了两方面的进展，一是1996年美国劳伦斯·利弗莫尔实验室的动高压合成，采用二极轻气炮动高压合成装置，在瞬间高压(114×1011Pa)下，制成了金属化氢。另一是美国卡内基学院的毛河光等人于1989 年的静高压合成，利用金刚石对顶钻(DAC)装置，