纳米材料化学

纳米科技的特点是它的交叉性、综合性。它是现代科学（ 纳米科技的特点是它的交叉性、综合性。它是现代科学（量子力 交叉性 介观物理、混沌物理、分子生物学等）和现代技术（ 学、介观物理、混沌物理、分子生物学等）和现代技术（计算机 技术，扫描探针显微术，电子束和电镜技术、 技术，扫描探针显微术，电子束和电镜技术、激光技术和核分析 技术等）结合的产物。纳米科技与其它学科的交叉又将引发一系 技术等）结合的产物。 列新的学科、技术、如纳米电子学、纳米生物学、纳米材料学、 列新的学科、技术、如纳米电子学、纳米生物学、纳米材料学、 和纳米机械学等。纳米材料和器件是这些分支学科的共同交点。 和纳米机械学等。纳米材料和器件是这些分支学科的共同交点。
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纳米技术实例
原子操纵术： 探针移动原子， 原子操纵术：利用 STM 探针移动原子， 形成文字图形
Xe原子在Ni基板上原子像( Xe原子在Ni基板上原子像(IBM) 原子在Ni基板上原子像
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a
b
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Fe原子在 基板上原子像 原子在Cu基板上原子像 原子在 基板上原子像(IBM)
纳米材料的分类 如果按维数，纳米材料可以分为以下三类： 如果按维数，纳米材料可以分为以下三类： 维数 • （1）零维：指在空间三维尺度均在纳米尺度，如纳米尺度颗 零维：指在空间三维尺度均在纳米尺度， 原子团簇等。 粒、原子团簇等。 • （2）一维：指在空间中有二维尺度处于纳米尺度，如纳米丝、 一维：指在空间中有二维尺度处于纳米尺度，如纳米丝、 纳米棒、纳米管等。 纳米棒、纳米管等。 • （3）二维：指在空间中有一维处于纳米尺度，如超薄膜等。 二维：指在空间中有一维处于纳米尺度，如超薄膜等。
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团族的特点
团簇产生于非平衡条件，很难在平衡的气相中产生。 团簇产生于非平衡条件，很难在平衡的气相中产生。对于尺寸较 小的团簇，每增加一个原子，团簇，团簇的结构发生变化， 小的团簇，每增加一个原子，团簇，团簇的结构发生变化，所谓 重构。而当团簇大小达到一定尺寸时，变成大块固体的结构， 重构。而当团簇大小达到一定尺寸时，变成大块固体的结构，此 时除了表面原子存在弛豫外，增加原子不再发生重构， 时除了表面原子存在弛豫外，增加原子不再发生重构，其性质也 不会发生显著改变， 不会发生显著改变，即处于临界尺寸
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超薄
DNA电子电路的技术，将于10年后 电子电路的技术，将于 年后 电子电路的技术 作成如纸般薄的电子显示器
DNA开关 开关
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1.2 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尺 广义地讲， 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
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团簇(clusters) 2.1 团簇(clusters)
团簇作为一类新的化学物种，直到20世纪80年代才被发现。 20世纪80年代才被发现 团簇作为一类新的化学物种，直到20世纪80年代才被发现。
团簇是各种物质由原子， 团簇是各种物质由原子，分子向大块 是各种物质由原子 物质转变的过渡状态， 物质转变的过渡状态，团簇代表了凝 聚态物质的初始状态，是介于原子， 聚态物质的初始状态，是介于原子， 分子与宏观固体之间的物质结构的新 层次， 层次，有时被称为物质的第五态
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笼内掺杂： 笼内掺杂：金属富勒烯
C60 分子具有中空笼式结构，分子直径 分子具有中空笼式结构，分子直径0.71nm，中心有一个直径 ， 的空腔， 约0.36nm的空腔，几乎可容纳所有元素的阳离子 的空腔
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固体是绝缘体， 纯C60固体是绝缘体，用碱金属掺杂之后就成为具有金 属性的导体，适当的掺杂成分可以使C 属性的导体，适当的掺杂成分可以使 60固体成为超导 等首先发现了临界温度（ ） 体。Hebard等首先发现了临界温度（Tc）为18K的K3 等首先发现了临界温度 的 C60超导体；随后改变掺杂元素，获得了 更高的超导 超导体；随后改变掺杂元素，获得了Tc更高的超导 体：Cs2Rb C60为33K；Rb2.7Tl2.2 C60为45K。这些结果表 为 ； 为 。 掺杂C60的Tc之高仅次于铜氧化物超导体。同时， 之高仅次于铜氧化物超导体。 明，掺杂 的 之高仅次于铜氧化物超导体 同时， C60固体还在低温下呈现铁磁性。 固体还在低温下呈现铁磁性。 固体还在低温下呈现铁磁性
纳米棒、纳米丝与纳米线: 纳米棒、纳米丝与纳米线: Aspect Ratio=Length/diameter AR小者 纳米棒length<1um 小者= AR小者=纳米棒length<1um AR大者 纳米丝、 大者= AR大者=纳米丝、线length>1um
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2. 纳米材料的基本单元
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纳米雕刻
中国北京大学科学家利用AFM 探针，在Au-Pd薄膜 探针， 中国北京大学科学家利用 薄膜 上雕刻出唐朝孟浩然的诗句，每字大小约为1.5 µm 上雕刻出唐朝孟浩然的诗句，每字大小约为 (J. Song et al., Appl. Phys. A 66, S715, 1998.)
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团簇是指几个至几百个原子的聚集体, 团簇是指几个至几百个原子的聚集体, 其粒径小于或 等于1nm 1nm， CnHm和碳族 C60，C70)等等 和碳族（ 等等。 等于1nm，如Fen, CunSm , CnHm和碳族（C60，C70)等等。
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Au20原子团簇
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团簇的幻数
在各种团簇的质谱分析中， 在各种团簇的质谱分析中，有 一个共同的规律： 一个共同的规律：在团簇的丰 度随着所含原子数目n 度随着所含原子数目n的增wenku.baidu.com而 缓慢下降的过程中， 缓慢下降的过程中，在某些特 定值n 定值n＝N，出现突然增强的峰 值，表明具有这些特定原子 分子） （分子）数目的团簇具有特别 高的热力学稳定性。这个数目N 高的热力学稳定性。这个数目N 就叫做团簇的Magic 就叫做团簇的Magic Number) 这种特征， 这种特征，与原子中的电子状 态，原子核中的核子状态很相 表明团簇也具有shell 似，表明团簇也具有shell structure
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CO原子在 基板上原子像 原子在Pt基板上原子像 原子在 基板上原子像(IBM)
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用扫描隧道显微镜 的针尖在铜表面上 搬运和操纵48个 搬运和操纵 个 原子， 原子，使排成圆形
圆形上原子的某些电子向外传播，逐渐减小， 圆形上原子的某些电子向外传播，逐渐减小， 同时与向内传播的电子相互干涉形成干涉波
Nanoscale Materials in Chemistry
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第一章 纳米技术概论
各种颗粒的粒径 物理化学与工业催化研究所
纳米、纳米科技、 1.1. 纳米、纳米科技、纳米化学
纳米是长度的度量单位，一纳米相当于10 纳米是长度的度量单位，一纳米相当于10-9 米。
纳米科学是研究在纳米尺度内，原子、 纳米科学是研究在纳米尺度内，原子、分子和其它类型物 质的运动和变化的规律； 质的运动和变化的规律； 利用这些规律，在这一尺度范围内对原子、 利用这些规律，在这一尺度范围内对原子、分子进行操纵 和加工被称为纳米技术。 和加工被称为纳米技术。 纳米科技的深刻内涵不仅是尺度的纳米化， 纳米科技的深刻内涵不仅是尺度的纳米化，而是纳米科 技使人类迈入一个崭新的微观世界， 技使人类迈入一个崭新的微观世界，在此世界中物质的 运动受量子原理的主宰。 运动受量子原理的主宰。 物理化学与工业催化研究所
Selected optimized Au20 structures. (A) Tetrahedral structure (Td). (B) Amorphous structure (C1). (C) Capped decahedron (C2v). (D) Planar structure (C2h). (E) Octahedral structure (Oh). (F) Dodecahedral structure (Ih). L.-S. Wang et al., Science 299, 864 (2003).
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微小
单原子内存的技术，可以使全球 单原子内存的技术，可以使全球100亿年份的书 亿年份的书 每年以100万册计，相当于 万兆册），储存 万册计， 万兆册）， 籍（每年以 万册计 相当于1万兆册），储存 于一颗方糖般大小的内存内
纳米存储器
存储密度可达每 平方厘米10 10万亿 平方厘米10万亿 字节
原子团簇不同于具有特定大小和形状的分 子，不同于分子间以弱的相互作用结合而 成的聚集体及周期性很强的晶体。 成的聚集体及周期性很强的晶体。其形状 可以是多种多样的，已知的有球状， 可以是多种多样的，已知的有球状，骨架 洋葱状，管状，层状，线状等。 状，洋葱状，管状，层状，线状等。除惰 性气体外，均是以化学键紧密结合的聚集 性气体外，均是以化学键紧密结合的聚集 体。
团簇(clusters) 团簇(clusters) • 纳米粒子（nanoparticle） 纳米粒子（nanoparticle） • 一维纳米材料(1D) 一维纳米材料(1D) • 量子阱、量子线、量子点 量子阱、量子线、 • 纳米孔洞(nanopores, mesoporous) 纳米孔洞(nanopores,
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如果按形状， 如果按形状，纳米材料可以分为 纳米颗粒和粉体、纳米管、纳米线、纳米带、纳米片、纳米薄膜、 纳米颗粒和粉体、纳米管、纳米线、纳米带、纳米片、纳米薄膜、 介孔材料 nanoparticles, nanotubes, nanowires, nanorods, nanobelts, nanonanoplatelets, nano-films, mesoporous materials, nanohorns…… nanosheets,nanoneedles, nanocable, nanohorns
纳米化学是化学的一个分支，是研究原子以上、100纳米以下的纳 纳米化学是化学的一个分支，是研究原子以上、100纳米以下的纳 是化学的一个分支 米世界（介观世界）中的各种化学问题及其应用的科学 各种化学问题及其应用的科学。 米世界（介观世界）中的各种化学问题及其应用的科学。 纳米化学的研究对象是至少一个维度的尺寸在100纳米以下的原子 纳米化学的研究对象是至少一个维度的尺寸在100纳米以下的原子 研究对象是至少一个维度的尺寸在100 或分子的集合体。 或分子的集合体。 它的主要任务是研究纳米材料与结构的化学制备方法， 任务是研究纳米材料与结构的化学制备方法 它的主要任务是研究纳米材料与结构的化学制备方法，探索有限原 子或分子体系的性质及反应规律等。 子或分子体系的性质及反应规律等。
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C60的结构研究表明，C60是一个由 C60的结构研究表明，C60是一个由 的结构研究表明 12个五元环和20个六元环组成的 个五元环和20个六元环组成的球 12个五元环和20个六元环组成的球 32面体 它的外形酷似足球。 面体， 形32面体，它的外形酷似足球。六 元环的每个碳原子均以双键与其他 碳原子结合，形成类似苯环的结构， 碳原子结合，形成类似苯环的结构， 它的σ 不同于石墨中sp2 sp2杂化轨道 它的σ键不同于石墨中sp2杂化轨道 形成的σ 也不同于金刚石中sp3 形成的σ键，也不同于金刚石中sp3 杂化轨道形成的σ 是以sp2.28 杂化轨道形成的σ键，是以sp2.28 杂化轨道（ 成分为30％，p 30％， 杂化轨道（s成分为30％，p成分为 70％）形成的σ ％）形成的 C60中两个 中两个σ 70％）形成的σ键。C60中两个σ键 间的夹角为106 间的夹角为106o。