第二章-2-2零维纳米材料(团簇、 [兼容模式]
纳米材料与纳米团簇
1990年美国国际商业机 器公司（IBM）的艾格 勒在镍金属（110）表面 用35个氙原子排出 “IBM”字样。
1993年中国科学院北京 真空物理实验室操纵原 子写出“中国”二字。
1991年，日本科学家饭 岛澄男发现碳纳米管， 它的质量只有同体积钢 的1／6，强度却是钢的 100倍。用碳纳米管做 绳索，是唯一可以从月 球上挂到地球表面，而 不被自身重量所拉断的 绳索 。
界面效应
纳米材料具有非常大的界面。界面的原子 排列是相当混乱的，原子在外力变形的条 件下很容易迁移，因此表现出很好的韧性 与一定的延展性，使材料具有新奇的界面 效应。
界面效应
纳米铁材料，可以制成高强度、高韧性的 特殊钢材，强度提高12倍，硬度提高2～3 个数量级。屈服强度和抗拉强度分别超过 1200 MPa和1400 MPa。
5、 用于制造微型武器。利用纳米技术可以
把传感器、电动机和数字智能装备集中在一 块芯片上，制造出几厘米甚至更小的微型装 置。在未来战场上，将出现能像士兵那样执 行军事任务的超微型智能武器装备。据报道， 美国研制的小型智能机器人，大的像鞋盒子 那么大，小的如硬币，它们会爬行、跳跃甚 至可飞过雷区、穿过沙漠或海滩，为部队或 数千公里外的总部收集信息。微型机电武器 还可用于敌我识别、探测核污染和化学毒剂、 无人侦察机等。
5、纳米技术如果应用在陶瓷上，可使陶瓷具有超 塑性，大大增强了陶瓷的韧性，不怕摔，不怕碎， 陶瓷坚固无比。另外，还能用纳米技术识别化学和 生物传感器材料。令科学家高兴的是，纳米钛与树 脂化合后生成的多种全新涂料，具有多种同类产品 无法相比的优越性，在海水中浸泡10年不损，并 具有神奇的自我修复能力和自洁性，纳米钛还作为 唯一对人植物神经、味觉没有任何影响的金属，其 用途广泛。
纳米材料习题答案
纳米材料习题答案1、简单论述纳米材料的定义与分类。
答：最初纳米材料是指纳米颗粒和由它们构成的纳米薄膜和固体。
现在广义: 纳米材料是指在三维空间中至少有一维处在纳米尺度范围，或由他们作为基本单元构成的材料。
如果按维数，纳米材料可分为三大类：零维：指在空间三维尺度均在纳米尺度，如：纳米颗粒，原子团簇等。
一维：指在空间有两处处于纳米尺度，如：纳米丝，纳米棒，纳米管等。
二维：指在三维空间中有一维处在纳米尺度，如：超薄膜，多层膜等。
因为这些单元最具有量子的性质，所以对零维，一维，二维的基本单元，分别又具有量子点，量子线和量子阱之称。
2、什么是原子团簇? 谈谈它的分类。
3、通过Raman 光谱中任何鉴别单壁和多臂碳纳米管? 如何计算单壁碳纳米管直径? 答：利用微束拉曼光谱仪能有效地观察到单臂纳米管特有的谱线，这是鉴定单臂纳米管非常灵敏的方法。
100-400cm-1范围内出现单臂纳米管的特征峰，单臂纳米管特有的环呼吸振动模式；1609cm-1，这是定向多壁纳米管的拉曼特征峰。
单臂管的直径d与特征拉曼峰的波数成反比，即d=224/wd：单壁管的直径，nm；w：为特征拉曼峰的波数cm-14、论述碳纳米管的生长机理（图）。
答：碳纳米管的生长机理包括V-L-S机理、表面（六元环）生长机理。
（1）V-L-S机理：金属和碳原子形成液滴合金，当碳原子在液滴中达到饱和后开始析出来形成纳米碳管。
根据催化剂在反应过程中的位置将其分为顶端生长机理、根部生长机理。
①顶端生长机理：在碳纳米管顶部，催化剂微粒没有被碳覆盖的的部分，吸附并催化裂解碳氢分子而产生碳原子，碳原子在催化剂表面扩散或穿过催化剂进入碳纳米管与催化剂接触的开口处，实现碳纳米管的生长，在碳纳米管的生长过程中，催化剂始终在碳纳米管的顶端，随着碳纳米管的生长而迁移；②根部生长机理：碳原子从碳管的底部扩散进入石墨层网络，挤压而形成碳纳米管，底部生长机理最主要的特征是：碳管一末端与催化剂微粒相连，另一端是不含有金属微粒的封闭端；（2）表面（六元环）生长机理：碳原子直接在催化剂的表面生长形成碳管，不形成合金。
二维纳米材料
二维纳米材料二维纳米材料是指在空间维度上为二维的纳米结构，通常具有纳米尺度的厚度和宏观尺度的长度和宽度。
它们具有特殊的结构和性质，常常表现出与其宏观对应物质不同的特性。
以下是几种常见的二维纳米材料：1.石墨烯（Graphene）：石墨烯是一种由碳原子构成的单层二维晶体结构，具有优异的导电性、热导性和力学强度。
石墨烯是最著名的二维纳米材料之一，被广泛应用于电子器件、透明导电膜、催化剂等领域。
2.过渡金属二硫化物（TransitionMetalDichalcogenides,TMDCs）：TMDCs是一类由过渡金属与硫化物或硒化物组成的二维层状结构材料，具有优异的光电性能和调控性。
常见的TMDCs包括二硫化钼（MoS2）、二硒化钼（MoSe2）等，被广泛应用于光电子器件、光催化、传感器等领域。
3.磷化合物（Phosphorene）：磷化合物是一种由磷原子构成的二维单层材料，具有优异的电学和光学性质。
磷化合物被认为是石墨烯的有希望的替代材料，具有潜在的应用价值。
4.硼氮化物（BoronNitride）：硼氮化物是一种由硼原子和氮原子交替排列构成的二维晶体结构材料，具有优异的绝缘性和热稳定性。
它们被广泛应用于纳米电子学、热管理、润滑剂等领域。
5.二维氧化物（Two-dimensionalOxides）：二维氧化物是一类由金属和氧原子组成的二维晶体结构材料，具有多样的化学成分和结构。
它们具有丰富的化学和物理性质，被广泛研究和应用于电子器件、催化剂、传感器等领域。
这些二维纳米材料具有独特的结构和性质，在纳米科技领域具有重要的应用前景。
通过精确控制其尺寸、形状、结构和表面性质等参数，可以实现对其性质和功能的调控，拓展其在材料科学、电子器件、光电子学、能源存储等领域的应用。
《零维纳米材料》课件
零维纳米材料的研究前景
1 新材料的发现
纳米材料为开发新型材料 提供了巨大机遇。
2 跨学科合作
纳米领域需要物理学、化 、生物学等多学科的交 叉融合。
3 可持续发展
纳米技术有望推动能源、 环境和健康领域的可持续 发展。
总结回顾
通过本课件，我们对零维纳米材料的定义、种类、制备方法、应用和研究前景有了系统的了解。希望您对纳米 领域有了更深入的认识和兴趣，愿您继续探索科学的精彩世界。
《零维纳米材料》PPT课 件
欢迎来到《零维纳米材料》PPT课件，本课程将带您探索纳米领域的奇妙世界。 从定义到制备方法，从应用到研究前景，让我们一起深入了解零维纳米材料。
什么是零维纳米材料？
零维纳米材料是指那些在所有维度中尺寸都控制在纳米级别的材料。它们具 有独特的物理和化学特性，引起了科学家们的广泛关注。
2
气相法
通过控制气相反应的条件，将气体中的原子或分子聚集成纳米尺寸的物质。
3
物理法
利用物理方法如球磨、溅射等来制备纳米颗粒或纳米结构。
零维纳米材料的应用
电子学
纳米材料的特殊电学性质被应用 于高性能电子器件的制备。
医学
纳米药物递送系统可以实现精准 治疗，提高药物疗效。
能源
纳米材料在太阳能电池、储能材 料等领域展现出巨大潜力。
零维纳米材料的种类
量子点
具有尺寸相关的光学性质，广泛应用于显示技术和生物成像领域。
纳米线
具有高比表面积和优异的导电性能，用于传感器、能量储存等领域。
纳米颗粒
具有独特的化学反应性，用于催化剂、药物递送和生物医学应用等。
零维纳米材料的制备方法
1
溶液法
通过溶剂中超饱和度和反应条件的调控，控制纳米颗粒的生成。
纳米材料与纳米团簇
随着技术的不断进步和应用需求的增加，纳米材料和纳米团簇有望 在能源、环境、医疗等领域发挥重要作用。
产业化和商业化
随着研究的深入和技术的发展，纳米材料和纳米团簇的产业化和商业 化进程将加速，有望成为未来重要的经济增长点。
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医学应用
药物传递
纳米团簇可以用于药物传递，将药物直接输送到病变部位，提高 药物的疗效和降低副作用。
医学成像
纳米材料可以提高医学成像的分辨率和灵敏度，如MRI、CT等。
生物检测
纳米材料可以用于检测生物分子和细胞，如免疫检测、基因测序 等。
环境应用
环保材料
纳米材料可以用于制造环保材料，如水处理剂、 空气净化剂等。
稳定性问题
纳米材料可能存在稳定性 问题，如氧化或聚集，这 会影响其应用。
生物性质
生物相容性
01
一些纳米材料可以被设计为生物相容的，用于药物输送、组织
工程或生物成像。
生物降解性
02
一些纳米材料可以在体内自然降解，从而减少长期毒性问题。
细胞和组织相互作用
03
纳米材料可以与细胞和组织发生相互作用，影响其生长、分化
02 纳米团簇简介
定义与特性
定义
纳米团簇是由几个至数千个原子 、分子或离子通过物理或化学键 结合形成的稳定纳米尺寸的聚集 体。
特性
具有尺寸依赖性、表面效应、量 子效应和宏观量子隧道效应等特 性。
ห้องสมุดไป่ตู้
分类与应用
分类
根据组成和结构，纳米团簇可分为金属团簇、半导体团簇、分子团簇等。
应用
在催化、能源、生物医学等领域具有广泛的应用前景。
大学化学教材
大学化学教材1、大学化学/普通高等教育“十一五”国家级规划教材2、大学化学教程——高等学校教材3、新大学化学（第二版）4、大学化学——面向21世纪课程教材5、化学功能材料概论——高等学校教材6、新编普通化学/21世纪高等院校教材7、大学基础化学/高等学校教材8、大学化学9、大学化学10、大学普通化学（第六版）11、大学化学教程——21世纪高等院校教材12、大学化学13、化学实验教程——高等学校教材14、大学化学(高等学校教学用书)15、大学化学原理及应用(上下)/高等学校教材16、大学化学教程/高等学校教材17、大学基础化学/新世纪高职高专教材18、新大学化学19、大学化学原理及应用·上下册20、普通化学(英文版)21、近代高分子科学22、绿色化学与环境23、普通化学简明教程24、大学化学（第二版）——高等学校教材1、大学化学/普通高等教育“十一五”国家级规划教材•作者：金继红主编•丛书名：•出版社：化学工业出版社•ISBN：9787502597221•出版时间：2007-1-1•版次：1•印次：1•页数：403•字数：679000•纸张：胶版纸•包装：平装•开本：16开•定价：39 元当当价：30.6 元折扣：78折节省：8.40元钻石vip价：30.60 元••共有顾客评论0条内容提要本书为普通高等教育“十一五”国家级规划教材。
本书在编写过程中注意与中学化学的衔接，力求理论联系实际，概念阐述准确，深入浅出，循序渐进，便于教师教学和学生自学。
本书包括物质的聚集状态、热力学第一定律、热力学第二定律、相平衡、化学平衡、水溶液中的离子平衡(含酸碱滴定、重量分析)、氧化还原和电化学基础(含氧化—还原滴定)、原子结构、分子结构、晶体结构、配位化合物(含配位滴定)、单质和无机化合物、表面与胶体、环境化学及材料化学等内容。
本书可供高等学校非化学化工类专业对化学要求较多的材料、地质、能源、环境、冶金、海洋等专业的基础化学教学使用。
纳米材料与技术- 纳米结构单元
第一章纳米结构单元一、零维单元1．团簇（cluster）2．纳米微粒3．人造原子二、一维单元1．碳纳米管2．纳米棒、丝、线3．同轴纳米电缆4．纳米带5．纳米线研究进展一、零维单元1．团簇（cluster）（1）定义：是一类化学物种，指几到几百个原子的聚集体，粒径尺度小于1nm。
是介于单个原子与固态之间的原子集合体。
（2）组成：一元（含金属、非金属团簇），二元及多元原子团簇，原子团簇化合物（3）结构：以化学键紧密结合（除惰性气体外），球状、骨架状、四面体、葱状及线、管、层状等。
（4）物理性质：表面效应、量子尺寸、几何尺寸效应、掺杂物性等（5）研究：多学科交叉C60：寻找星际间分子而发现2．纳米微粒：超微粒子（ultra-fine particle）(1) 定义：尺寸在nm量级的超细微粒，尺度在1~100nm 之间，大于原子团簇，小于通常的微粒。
尺寸为红血球和细菌的几分之一，与病毒大小相当。
“要用TEM才能看到的微粒。
”(2) 性质：由微观到宏观世界的过渡区域，具有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等。
特殊的微观机制→影响宏观性质（生物活性由此产生）(3) 研究：制备、合成和应用。
3．人造原子（artificial atom, super-atom）(1) 定义：尺寸小于100nm的、由一定数量的实际原子组成的聚集体。
包括：准0维的量子点、准1维的量子棒、准2维的量子圆盘、及100nm左右的量子器件(2) 特性：（量子效应）i) 与原子相似之处：a. 离散的能级和电荷b. 电子填充服从洪德定律ii) 与原子的差别：a. 含有一定数量的原子b. 形状、对称性多种多样c. 电子间的相互作用复杂d. 电子在抛物线形的势阱中，上层电子束缚弱(3) 应用：体系的尺度与物理特征量相当量子效应→新原理、新结构二、一维单元1．碳纳米管（Bucky Tube巴基管）发现：1991年，日本电气公司（NEC）高级研究员、名城大学教授饭岛澄男（Sumio Iijima）利用透射电镜首次观察到碳纳米管。
第二章 零维纳米结构
2013-6-22
10
C60分子是由20个六边形环和12个五边形环组成的球形32面
体，其中五边形环只与六边形环相邻，而不相互连接；32面体共
有60个顶角，每个顶角由一个碳原子占据。C60的直径为0.71 nm。
2.2 人造原子
人造原子(Artificial Atoms)又称为量子点(Quanum Dop)， 是20世纪90年代提出来的一个新概念。所谓人造原子是由一定 数量的实际原子组成的聚集体，它们的尺寸小于100 nm。 人造原子和真正原子有许多相似之处： 首先，人造原子有离散的能级，电荷也是不连续的。电子在人
2013-6-22 3
2.1 原子团簇
一. 定义
原子团簇，简称团簇， 是由几个乃至上千个原子、分子或 离子通过物理和化学结合力组成相对稳定的聚集体(粒径小于或
等于l nm)。它介于单个原子与固体之间，其物理和化学性质随
着所含的原子数目不同而变化。如Fen，CunSm，CnHm(n和m都 是整数)和碳簇(富勒烯C60，C70等)等。 原子团簇是在20世纪80年代才出现的，是多学科的交叉。 原子团簇不同于有特定大小和形状的分子，也不同于以弱分子 间作用力结合起来的分子团簇，除了惰性气体外，它们都是以 化学键紧密结合的聚集体。
短时间内，经处理的产品粒径
可达1μ m。
A为空心转轴，与C盘相连，向一个方 向旋转，B盘向另一方向旋转。分散相、 分散介质和稳定剂从空心轴A处加入， 从C盘与B盘的狭缝中飞出，用两盘之 间的切应力将固体粉碎. 2013-6-22 24
f．纳米气流粉碎气流磨
原理：利用高速气流(300—500m/s) 或热蒸气(300—450℃)的能量使粒 子相互产生冲击、碰撞、摩擦而被 较快粉碎。
纳米团簇形貌
纳米团簇形貌摘要：一、纳米团簇的概述二、纳米团簇的形貌分类1.零维纳米团簇2.一维纳米团簇3.二维纳米团簇4.三维纳米团簇三、纳米团簇的制备与性质四、纳米团簇在各领域的应用五、纳米团簇的发展前景正文：纳米团簇作为一种具有特殊形貌和性质的纳米材料，近年来在国际上引起了广泛关注。
纳米团簇的形貌各异，可以根据维度进行分类，包括零维、一维、二维和三维纳米团簇。
一、纳米团簇的概述纳米团簇是指由若干个原子或分子通过化学键或物理吸附组成的纳米级粒子聚集体。
它们的尺寸在1到100纳米之间，具有与宏观材料不同的物理和化学性质。
纳米团簇的研究领域涵盖了化学、物理、材料科学、生物医学等多个学科。
二、纳米团簇的形貌分类1.零维纳米团簇：零维纳米团簇指的是所有维度尺寸相近的纳米粒子聚集体。
这类团簇具有较高的表面能，因此易于发生化学反应和物理吸附。
2.一维纳米团簇：一维纳米团簇在三个维度中，有一个维度的大小远小于其他两个维度。
这类团簇具有较高的长径比，易于在纳米线、纳米管等结构中应用。
3.二维纳米团簇：二维纳米团簇在两个维度上具有相近的尺寸，而在第三个维度上尺寸明显减小。
这类团簇具有较高的平面密度，有利于在二维材料中发挥重要作用。
4.三维纳米团簇：三维纳米团簇在三个维度上都有相近的尺寸。
它们具有较高的体积密度，适用于制备三维网络结构材料。
三、纳米团簇的制备与性质纳米团簇的制备方法有多种，如溶剂热法、水热法、气相沉积法等。
不同制备方法得到的纳米团簇具有不同的性质，如光学、磁学、电学、力学等性能。
通过对纳米团簇的制备条件进行调控，可以实现对团簇性质的调控。
四、纳米团簇在各领域的应用纳米团簇在许多领域具有广泛的应用前景，如催化、传感、生物医学、能源存储等。
由于纳米团簇具有特殊的形貌和性质，它们在这些领域表现出优异的性能。
五、纳米团簇的发展前景随着纳米科技的发展，纳米团簇的研究将越来越深入。
未来，纳米团簇将在以下几个方面取得突破：1.纳米团簇的制备技术将更加成熟，实现对团簇尺寸、形貌和性质的精确调控。
零维纳米材料PPT课件
因此，射频溅射可以适用于各种材料，包括石英、玻璃、氧化铝、蓝宝石、金刚石、氮化物、硼化物
薄膜等。
但大功率的射频电源 不仅价格高（成本高） ，而且对于人身防护 也成问题。因此，射频溅射不适于工
业生产应用
45
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体原子的碰撞几率高，因此气体离子化率大大增加。
• 磁控溅射靶的溅射沟槽一旦穿透靶材，就会导致整块靶材报废，所以靶材
的利用率不高，一般低于40％，这是磁控溅射的主要缺点。
43
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3、射频溅射
问题？
当靶材为绝缘体，若使用直流溅射，则Ar+
离子会在靶表面积蓄，从而使靶面电位升高，结
果导致放电停止
• 随后改变掺杂元素，
9
获得了 T c 更高的超导体。因此 C 60 的研究热潮立即应运而来
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纳米微粒（nanoparticle）
10
第10页/共137页
纳米颗粒
• 纳米颗粒（ 也称作纳米微粒、超微粒子或纳米粉 ）
颗粒尺度为纳米量级的超微颗粒，尺度大于原子团
簇，一般在100nm以内。
加
热
示
意
图
28
膜原监控
档板
蒸发源
加热器
排气
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（2）高频加热
高
频
加
热
示
意
图
坩埚
RF线圈
RF电源
29
第29页/共137页
（3） 等离子体加热法
•原理：
温度高,达2000K以上，包含大量的高活性
零维纳米材料
零维纳米材料
零维纳米材料是指在空间维度上为零维的纳米结构，也称为零维纳米粒子或纳米颗粒。
它们通常是由原子或分子构成的微观颗粒，具有特殊的物理和化学性质。
以下是几种常见的零维纳米材料：
1.量子点：量子点是一种具有三维尺寸范围，但在空间上是零维的纳米结构。
它们通常由几百到几千个原子组成，具有量子尺寸效应，能够通过控制其尺寸和组成来调节其光学、电学和磁学性质。
2.金属纳米颗粒：金属纳米颗粒是由金属原子构成的微小颗粒，具有良好的表面等离子共振效应和局域化表面等离子体共振效应，可以应用于催化、生物医学、光学传感等领域。
3.纳米荧光颗粒：纳米荧光颗粒是一种具有荧光特性的零维纳米结构，通常由半导体材料构成。
它们的荧光性质可以通过调节其尺寸、形状和表面修饰来调控，用于生物成像、荧光标记等应用。
4.纳米粒子：纳米粒子是一种广泛存在的零维纳米结构，通常由某种化合物或材料构成，如氧化物、硫化物、碳纳米粒子等。
它们具有特殊的光学、电学和磁学性质，在催化、传感、生物医学等领域有着重要应用。
5.夸克-胶子凝聚物：在高能物理学领域，夸克-胶子凝聚物被认为是零维的基本粒子结构，由夸克和胶子组成，具有特殊的强相互作用性质，是研究强子物理和量子色动力学的重要对象。
这些零维纳米材料具有独特的物理、化学和生物学性质，对于纳米科技的发展和应用具有重要意义。
通过精确控制其尺寸、形状、表面性质等参数，可以实现对其性质和功能的调控，拓展其在材料科学、纳米生物学、纳米医学等领域的应用。
纳米材料基本概念与性质
纳米薄膜与纳米涂层
这种薄膜具有纳米结构的特殊性质，目前可 以分为两类： （1）含有纳米颗粒和原子团簇的薄膜—基质 薄膜； （2）纳米尺度厚度的薄膜，其厚度接近电子 自由程。 纳米厚度的信息存储薄膜具有超高密度功能， 用它制作的集成器件具有惊人的信息处理能力；
纳米固体材料
纳米固体是由纳米尺度水平的晶界、相界或位错等缺陷的核 中的原子排列来获得具有新原子结构或微结构性质的固体。 简单的说，具有纳米特征结构的固体材料称为纳米固体材料。 纳米固体材料（nanostructured materials）的主要特征是具有巨 大的颗粒间界面，如纳米颗粒所构 成的固体每立方厘米将含1019个晶 界，原子的扩散系数要比大块材料 高1014～1016倍，从而使得纳米 材料具有高韧性。
原子团簇可分为一元原子团簇、二元原子 团簇、多元原子团簇和原子簇化合物．
一元原子团簇包括金属团簇 ( 加 Nan ， Nin
等)和非金属团簇．非金属团簇可分为碳 簇(如C60,C70等)和非碳族(如B，P，S，Si 簇等)． 二元原子团簇包括InnPm，AgnSm等。 多元原子团簇有Vn(C6H6)m等． 原子簇化合物是原子团簇与其他分子以 配位化学键结合形成的化合物
原子团簇
原子团簇是指几个或几百个原子的聚集体（直 径小于1 nm）。它是介于单个原子与固态之间 的原子集合体。 原子团簇的形状可以是多种多样的，它们尚未 形成规整的晶体
绝大多数原子团簇的结构不清楚，已知有线状、 层状、管状、洋葱状、球状和骨架状等。
当前能大量制备并分离的团簇是 C60(富勒烯) (富勒烯)
纳米颗粒 纳米颗粒是指颗粒尺度为纳米量级的超微 颗粒，它的尺度大于原子团簇，小于通常的微 粉，一般在1—100 nm之间。只能用高倍电子 显微镜能观察到，所以有人称用电子显微镜能 观察到的微粒为纳米颗粒。
《纳米材料》PPT课件 (2)
34
Quantum siБайду номын сангаасe effect
Bulk Metal
Nanoscale metal
Unoccupied states
Decreasing the size…
occupied states
Close lying bands
21
纳米材料的独特效应
※小尺寸效应 ※表面效应和边界效应 ※量子尺寸效应 ※宏观隧道效应
22
小尺寸效应
• 当超细微粒的尺寸和光波波长，传 导电子的德布罗意波长，超导态的 相干长度或者透射深度等物理尺寸 相当或者比它们更小时，一般固体 材料的周期性边界条件被破坏，声 光电磁，热力学等特性均会呈现新 的尺寸效应
纳米科技。
1
神奇的纳米材料
走近纳米材料.rm
2
纳米材料的发展过程
• 1959年Feynman提出许多设想:在原子或分子的 尺度上加工制造材料和器件，制造几千百纳米的 电路和10～100纳米的导线。
• 1962年Kubo理论提出:金属的超微粒子将出现量 子效应，显示出与块体金属显著不同的性能。
• 1969年Esaki和Tsu提出了超晶格的概念。
15
碳纳米管
由石墨的片状结构上运 用激光手段剥离下来 ，形成的石墨烯卷成 的无缝中空管体
直径虽只有头发丝的十 万分之一，可是导电 性为铜的一万倍。强 度是钢的100倍，质量 却只有其七分之一。 硬似金刚石，却可以 拉伸
16
超晶格材料
• 由两种不同组元以几个纳米至几十个纳米 的薄层交替生长。并保持严格周期性的多 层膜
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Exceeding the Shockley–Queisser limit?
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2012/10/17
Qds Solar Cells
Type-II core/shell Qd materials may be greatly beneficial for photovoltaic devices, especially with the development of anisotropic materials in which the segregation of charges is directional, which may enhance directional charge transport in future electronic devices.
蚀刻刻制作出所需图 案。此方法相当 费时，无法大量 生产，现已不经 常使用。
11
2012/10/17
Epitaxy: Patterned Growth
Growth is restricted by coating it with a masking compound (SiO2) and etching that mask with the shape of the required crystal cell wall shape. Disadvantage: density of quantum dots limited by mask pattern.
8
2012/10/17
Size is comparable to the Bohr radius of the excitons .
量子点（Quantum Dot）的特点之一: 量子尺寸 效应
9
2012/10/17
特点之二： Quantum confinement
Electrons and holes are confined in all three dimensions. Discrete energy levels (artificial atom).
Nie Shuming-Emory Uni.
17
2012/10/17
如何提高发光的量子产率？
Organically, Surface passivation by oxygen, ligands, and other molecules in the environment; the static passivation of surface defects by polymers and polar molecules. Photo activation. Photo activated rearrangements of ligand molecules stabilize the surface states and increase the probability of trapped charge carriers thermalizing into emissive states!
Colloidal Synthesis of Quantum dots:
r
Mechanism of colloidal Qds growth by La Mer etc.
晶体从小到大的生长遵循Ostwald生长机 制，即小的颗粒可以重新溶解于溶剂中， 而大颗粒由于溶解的小颗粒的补给而不 断长大。因此，要想达到单分散性，一 方面要控制晶体的生长速率，使大颗粒 的长大速率小于小颗粒的长大速率，另 一方面还要控制生长过程中的团聚和二 次成核现象，因此要加入合适的表面活 性剂来阻止。
H.J. Freund, et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2011.
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Fluorescent Gold Nanoclusters-Cellular Imaging
Bovine serum albumin(牛血清蛋白）的Gold Nanocluster (<2nm)
金属有机骨架材料 Metal Organic Frameworks (MOF) -从金属簇合物到高孔隙率单晶
以金属基团作为基本结构单元，以有机分子为 连接分子，形成高孔隙率单晶，在催化、药物 释放、分离和能量存储中具有潜在的应用价值。
Framework structures in which metal oxides clusters act as ‘joints’ and the organic linkers as ‘struts’ to produce highly porous crystals (Max. 2 10,400m /g) with the lowest density ever recorded for a crystalline material.
O.M. Yaghi
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MOF-200
以Zn4O(CO2)6 作为基本结构 单元，以 4,4’,4”[benzene1,3,5-triyltris(ethyne2,1diyl)]tribenzo ate (BTE)等有 机分子为连接 分子。
量子点（Quantum Dots）
定义：量子点是由少量原子组成， 能把导带电子、价带空穴及激子 在三个空间方向上束缚住而导致 量子限域效应的准零维半导体纳 米结构。量子点，电子运动在三 维空间都受到了限制，因此有时 被称为“人造原子” 。
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金属cluster的一般特征
与金属表面的相似性：它的催 化活性部位相当于金属结晶表 面参与反应时的活性中心，即 晶体的顶角、棱角、边，以及 局部缺陷的原子团。 与金属中M-M键有类似性：原 子簇中过渡金属原子数越多， 原子簇越接近晶体。
簇合物举例：
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传统硅电池的转化率限制：
The theoretical limit in Si-based p-n junction solar cell: Shockley–Queisser limit!!! The limit places maximum solar conversion efficiency ~ 33.7%
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零维纳米材料及光电特性 （团簇、量子点、纳米晶） 张加涛 2-3学时
团簇、量子点、纳米晶的尺寸分 布
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How Do We Make Nanostructures ? “Chiseller” meets “Assembler”
Geoffrey Ozin
多伦多大学
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Epitaxial growth mechanism:
1. Lattice mismatch strain is small, the epitaxial growth will occur with a Frank–van der Merwe (FM) mode. 2. Lattice mismatch strain is increased somewhat, the epitaxial growth mode is Stranski– Krastanov (SK) mode. 3. Lattice mismatch is large, the epitaxial growth mode is Volmer–Weber (VW) mode.
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CdSe量子点的不同形貌：
彭笑刚-量子点 牛人
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GaP Qds
举例：CdSe胶体量子点制备方法:
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Low PL quantum efficiencies(10%) of CdSe Qds
The non-radiative exciton recombination at the surface defects. Shallow band gap defects. Terminal dangling states.
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CO Oxidation on Supported Model Catalysts- Heterogeneous Catalysis
STM images of Au big clusters supported on a trilayer of MgO(100)/Ag(100):
Qds core/shell structure
Inorganically,
Over coating Nano-crystallites with higher band gap inorganic materials.
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M.G. Bawendi(MIT)-CdSe/ZnS Qds
Ligand-Stabilized Silver Chalcogenide Clusters
（ 1）
（ 2）
Dieter Fenske, Jiatao Zhang, etc. Angew. Chem. Int. Ed. 2008.
The very edge of molecular chemistry
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Quantum dots applications
Photovoltaic devices: solar cells Biology : biosensors, imaging Light emitting diodes: LEDs Quantum computation Flat-panel displays Photodetectors Lasers