3.纳米结构单元(1)
第五章一维纳米纳米结构单元全
Kroto 研究小组获得的碳原子团簇的质谱图
C60
C70
C60具有什么样的结构呢？ 金刚石和石墨是具有三维结构的巨型分子，C60和C70是有固定碳原子数的有限分子，它们应该具有不同的结构。 克罗托想起美国建筑师巴克明斯特·富勒BuckminsterFuller为1967年蒙特利尔世博会设计的网络球主体建筑，由五边形和六边形构成的圆穹屋顶。 富勒曾对克罗托等人启发说：“C60分子可能是球形多面体结构”。
CNT - Fabrication - how to
Chemical Vapor Deposition (CVD)
Single-wall nanotubes are produced in a gas-phase process by catalytic disproportionation of CO on iron particles. Iron is in the form of iron pentacarbonyl. Adding 25% hydrogen increases the SWNT yield. The synthesis is performed at 1100 C at atmospheric pressure.
A laser is aimed at a block of graphite, vaporizing the graphite. Contact with a cooled cooper collector causes the carbon atoms to be deposited in the form of nanotubes. The nanotube "felt" can then be harvested
纳米材料【可编辑全文】
可编辑修改精选全文完整版绪论1、纳米科技的提出：源自于费曼大师1959年在美国物理学会年会上的一次演讲。
Richard Feynman：世界上首位提出纳米科技构想的科学家。
2、纳米材料（1）纳米材料的定义：物质结构在三维空间至少有一维处于纳米尺度，或由纳米结构单元组成且具有特殊性质的材料（也是以维数划分纳米材料的原因）（2）纳米尺度：1-100 nm范围的几何尺；纳米的单位:1 nm = 10^-9 m，即千分之一微米(μm)。
（3）纳米结构单元：具有纳米尺度结构特征的物质单元，包括纳米团簇、纳米颗粒、纳米管、纳米线、纳米棒、纳米片等（4）纳米材料的维度：○1零维：纳米团簇、纳米颗粒、量子点（三维尺度均为纳米级，没有明显的取向性，近等轴状）○2一维：纳米线、纳米棒、纳米管（单向延伸、二维尺度为纳米级、第三维尺度不限，、直径大于100 nm，具有纳米结构）○3二维：纳米片、纳米带、超晶格、纳米薄膜（一维尺度为纳米级，面状分布，，厚度大于100 nm，具有纳米结构）○4三维：纳米花、四脚针等（包含纳米结构单元，三维尺寸均超过纳米尺度，由不同型低维纳米结构单元复合形成）（5）纳米材料的分类○1具有纳米尺度外形的材料○2以纳米结构单元作为主要结构组分所构成的材料3、久保理论：即金属的超微粒子将出现量子限域效应，显示出与块体金属显著不同的性能；金属纳米粒子，量子限域效应。
4、扫描隧道电子显微镜(STM)：将探针靠近导电材料表面进行扫描，获得表面图像。
分辨率达0.1~0.2 nm，可以直接观察和移动原子。
5、原子力显微镜(AFM)：利用针尖和材料原子间的相互微弱作用力来获得材料表面的形貌图像。
可用于研究半导体、导体和绝缘体。
AFM三大特点：原子级高分辨率、观察活生命样品和加工样品的力行为成就。
6、纳米科技的研究内容：纳米科学、纳米技术与纳米工程分支学科：纳米力学：研究物体在纳米尺度的力学性质纳米物理学：研究物质在纳米尺度上的物理现象及表征纳米化学：研究纳米尺度范围的化学过程及反应纳米生物学：利用纳米的手段解决生物学问题，在分子水平揭示细胞内外的物质、能量与信息交换机制；纳米医学：利用纳米科技解决医学问题的边缘交叉学科纳米材料学：包括纳米材料的成分、结构、性能与使用效能四个方面。
纳米材料
绪论1、纳米科技的提出：源自于费曼大师1959年在美国物理学会年会上的一次演讲。
Richard Feynman：世界上首位提出纳米科技构想的科学家。
2、纳米材料（1）纳米材料的定义：物质结构在三维空间至少有一维处于纳米尺度，或由纳米结构单元组成且具有特殊性质的材料（也是以维数划分纳米材料的原因）（2）纳米尺度：1-100 nm范围的几何尺；纳米的单位:1 nm = 10^-9 m，即千分之一微米(μm)。
（3）纳米结构单元：具有纳米尺度结构特征的物质单元，包括纳米团簇、纳米颗粒、纳米管、纳米线、纳米棒、纳米片等（4）纳米材料的维度：○1零维：纳米团簇、纳米颗粒、量子点（三维尺度均为纳米级，没有明显的取向性，近等轴状）○2一维：纳米线、纳米棒、纳米管（单向延伸、二维尺度为纳米级、第三维尺度不限，、直径大于100 nm，具有纳米结构）○3二维：纳米片、纳米带、超晶格、纳米薄膜（一维尺度为纳米级，面状分布，，厚度大于100 nm，具有纳米结构）○4三维：纳米花、四脚针等（包含纳米结构单元，三维尺寸均超过纳米尺度，由不同型低维纳米结构单元复合形成）（5）纳米材料的分类○1具有纳米尺度外形的材料○2以纳米结构单元作为主要结构组分所构成的材料3、久保理论：即金属的超微粒子将出现量子限域效应，显示出与块体金属显著不同的性能；金属纳米粒子，量子限域效应。
4、扫描隧道电子显微镜(STM)：将探针靠近导电材料表面进行扫描，获得表面图像。
分辨率达0.1~0.2 nm，可以直接观察和移动原子。
5、原子力显微镜(AFM)：利用针尖和材料原子间的相互微弱作用力来获得材料表面的形貌图像。
可用于研究半导体、导体和绝缘体。
AFM三大特点：原子级高分辨率、观察活生命样品和加工样品的力行为成就。
6、纳米科技的研究内容：纳米科学、纳米技术与纳米工程分支学科：纳米力学：研究物体在纳米尺度的力学性质纳米物理学：研究物质在纳米尺度上的物理现象及表征纳米化学：研究纳米尺度范围的化学过程及反应纳米生物学：利用纳米的手段解决生物学问题，在分子水平揭示细胞内外的物质、能量与信息交换机制；纳米医学：利用纳米科技解决医学问题的边缘交叉学科纳米材料学：包括纳米材料的成分、结构、性能与使用效能四个方面。
第十七章-原子团簇
Reference : http://www.nobel.se/chemistry/laureates/1996
Usefulness of hollow sphere structure
(1) Filter (2) Superconductivity (3) Building material of objects (4) Expansion to nanotube
• Diamond
- Hard and transparent and the unusual form of carbon. - Strong thermal conductivity. - Atom is bound to four other carbon atoms in a regular
repetitive pattern.
• C60 - A third allotropic form of very stable spheres(1985) - Formed when graphite is evaporated in an inert atmosphere. - Assumed C60 consists of 12 pentagons and 20 hexagons with carbon atoms at each corner, as a soccer ball. - Names
3.团簇的稳定结构和幻数
原子中的电子状态 原子核中的核子状态
幻数特征（壳层结构)
原子团簇？ YES
团簇的幻数序列与构成团簇 的原子键合方式有关： 金属键：自由价电子 共价键：Si,C 离子键：金属卤化物 范德瓦尔斯键：惰性元素
团簇结构中的序:
(a)位置序是经典粒子的特征 (b)动量序则是德布罗依波的特征
纳米材料的结构特征
2007物理诺贝尔奖介绍
瑞典皇家科学院诺贝尔奖评委会9号宣布，法国 科学家阿尔贝·费尔和德国科学家彼得·格林贝格尔因 1988年先后各自独立发现“巨磁电阻”效应而共同 获得2007年诺贝尔物理学奖。
阿尔贝·费尔
彼得·格林贝格尔
纳米材料的结构特征
纳米材料的机构特征
一、自然界中的纳米结构与纳米材料 二、纳米材料概论 三、纳米材料的分类
3.1、纳米微粒 3.2、纳米固体 3.3、纳米纤维 3.4、纳米薄膜
一、 自然界中的纳米结构与纳米材料
从纳米科技发展历史的角度来讲，1861年随着胶体化 学的建立，科学家们才开始对直径为1-100 nm的粒子 体系进行研究工作；真正有意识进行纳米粒子实验的 是20世纪30年代日本人为了军事目的进行的“沉烟实 验”,1959年著名物理学家、诺贝尔奖获得者费曼发 表了重要演讲，提出了纳米技术的设想，之后纳米材 料和纳米科技得到了蓬勃的发展。但是，“纳米”并 不是人类的专利，早在宇宙诞生之初，它们就存在了。
纳米材料的晶界组元
晶界组元：纳米材料中 晶界占有很大的体积分 数，因而，对纳米材料 来说，晶界不仅仅是一 种缺陷，更重要的是构 成纳米材料的一个组元， 即晶界组元，是评定纳 米材料的一个重要参数。
（1）纳米固体材料的结构组成 (A)纳米晶体材料的组成：晶粒组元(所有原子都位
于晶粒的格点上) ＋晶界组元； (B)纳米非晶材料的组成：非晶组元＋界面组元； (C)纳米准晶材料的组成：准晶组元＋界面组元。
纳米热电材料
纳米储能材料
3.1、纳米微粒 定义尺度
颗粒：指在一定尺寸范围内具有特定形状的几何体。这里所说的一 定一定尺寸一般在毫米到纳米之间，颗粒不仅指固体颗粒，还有雾 滴、油珠等液体颗粒。 一般而言，在室温下，物理化学性质发生显著变化的颗粒尺寸，多数 处于0.1微米以下，因而从功能材料角度出发，可以将超细微颗粒尺 寸的上限定位0.1微米，即100纳米。 目前机械法粉碎获得颗粒的尺寸一般只能到1微米。超微颗粒是指超 越常规制粉手段所获得的微粒。因此1微米可作为超微颗粒的上限， 所以笼统的说超微颗粒尺寸在1到1000纳米之间（小于1微米）。大 于1微米就是通常的微粉，小于1纳米的粒子称为原子簇。 超细微颗粒也被称为纳米粒子，纳米颗粒、纳米微粒等。
第四章纳米结构单元
第四章纳米结构单元纳米材料是指在纳米尺度下具有特殊物理、化学或生物性质的材料。
其中，纳米结构单元是构成纳米材料的基本组成部分。
本章将介绍纳米结构单元的种类、制备方法以及其对纳米材料性质的影响。
一、纳米结构单元的种类1.纳米颗粒：纳米颗粒是一种具有纳米尺寸的微观粒子。
其尺寸一般在1-100纳米之间，形状可以是球形、棒状、片状等。
纳米颗粒的特点是表面积大、界面效应显著，使得其具有优异的光学、电学、磁学等性质。
2.纳米晶体：纳米晶体是由纳米尺寸的结晶颗粒组成的固体材料。
相比于普通晶体，纳米晶体具有更大的晶界面积和更高的储能密度，从而表现出优越的断裂强度、弹性模量等力学性能。
3.纳米线：纳米线是一维纳米结构单元，其直径一般在1-100纳米之间，长度可以从几微米到几百微米。
纳米线具有高长径比、大可控表面积以及很好的导电性和光学性能，广泛应用于纳米电子学和纳米光学等领域。
4.纳米韧态材料：纳米韧态材料是利用纳米尺寸的晶粒边界限制晶体的滑移和收缩，以增强材料的韧性和延展性。
纳米韧态材料具有优异的塑性变形能力和抗疲劳性能，被广泛应用于高强度结构材料和材料基础研究。
二、纳米结构单元的制备方法1.化学合成法：化学合成法是制备纳米结构单元最常用的方法之一、该方法通过控制反应条件和添加特定的表面活性剂、模板剂等，在溶液中合成纳米颗粒、纳米晶体、纳米线等。
常见的化学合成方法包括溶胶-凝胶法、水热法、溶剂热法等。
2.物理沉积法：物理沉积法是通过物理过程将材料分子或原子沉积在基底表面上，形成纳米结构单元。
常见的物理沉积方法包括溅射法、蒸发法、离子束法等。
物理沉积法具有制备简单、成本低廉等优点，但对材料的性能调控能力较弱。
3.生物合成法：生物合成法是利用生物体的代谢活动合成纳米结构单元。
通过选择适当的微生物、植物或动物细胞，通过调节其生长环境和添加适当的营养物质，可以合成纳米颗粒、纳米晶体和纳米线等。
生物合成法具有环境友好、生物兼容性好等特点，被广泛应用于纳米医学和环境保护等领域。
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。
纳米材料复习资料
高能球磨法制备的纳米金属与合金结构材料产量高、工艺简单，并能制备 出用常规方法难以获得的高熔点的金属或合金纳米材料．近年来已越来越受到 材料科学丁作者的重视。但是, 晶粒尺寸不均匀, 易引入某些杂质。 溶胶-凝胶法。该方法制备薄膜的基本步骤如下：首先用金属无机盐或有机 金属化台物制备溶胶，然后将衬底(如 SiO2 玻璃衬底等)浸入溶胶后以一定速度 进行提拉，结果溶胶附着在衬底上，经一定温加热后即得到纳米微粒的膜。膜 的厚度控制可通过提拉次数来控制。 高速纳米粒子沉积法(气体沉积法)。该制各方法的基本原理是：用蒸发或溅 射等方法获得纳米粒子, 用一定气压的惰性气体作载流气体。通过喷嘴，在基板 上沉积成膜。 直接沉积法。这种方法是当前制备纳米薄膜普遍采用的方法，它的基本原 理是把纳米粒子直接沉淀在低温基片上。制备纳米粒子的方法主要有三种：惰 性气体蒸发法、等离子溅射法和辉光放电等离子诱导化学气相沉积法，基片的 位置、气体的压强、沉淀速率和基片温度是影响纳米膜质量的重要因素。 电沉积法。一般 II-VI 族半导体薄膜可用此法制备。 下面简单介绍 CdS 和 CdSe 薄膜的制备过程：用 Cd 盐和 S 或 Se 制成非水电解液，通电后在电极上沉 积 CdS 或 CdSe 透明的纳米微粒膜。粒径为 5nm 左右。
十一、纳米颗粒的尺寸评价手段
透射电镜观察法：用透射电镜可观察纳米粒子平均直径或粒径的分布．是一 种颗粒度观察测定的绝对方法，因而具有可靠性和直观性． 扫描电子显微镜: 当颗粒为单晶时，该法测得的是颗粒度;颗粒为多晶时，该 法测得的是组成单个颗粒的单个晶粒的平均晶粒度;这种测量方法只适用晶态的 纳米粒子晶粒度的评估。
四、各种纳米结构的构造方法
五、纳米颗粒的光学性能，磁学性能，催化性能。
光学性能：
多孔纳米材料综述
Outline
1. 纳米材料的概念及特点 2. 对纳米材料的要求 3. 纳米结构单元 4. 纳米晶界结构理论 5. 纳米材料的制备方法 6. 纳米材料的分类 7. 纳米材料的应用 8. 纳米材料的另一面 9. 结束语
1.纳米材料的概念及特点
纳米材料: 在纳米量级(1~100nm)内调控物质 结构制成的具有特异性能的新材料 四大特点: 尺寸小、比表面积大、表面能高、 表面原子比例大 四大效应: 小尺寸效应、量子尺寸效应、宏观 量子隧道效应、表面效应
2.对纳米材料的要求
尺寸可控(小于 100 nm) 成分可控 形貌可控 晶型可控 表面物理和化学特性可控
(表面改性和表面包覆)
3.纳米结构单元
• 团簇(cluster)：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1 nm） eg: C60 buckyball, Fen, CnHm
9.结束语
• 纳米材料是国际材料界当前研究的热点，它使人
类在改造自然方面进人了一个新层次，即从微米 级层次深入到纳米级层次。 • 鉴于纳米科技是节能、低耗和技术密集型的新科 技，发展纳米科技的投人产出比可能高于其它高 科技项目。因此应在政策、财力、物力和人力上 给于大力支持，让纳米技术尽快实现产业化
• Seagel〔2〕的有序说。有序说认为晶粒间界处 含有短程有序的结构单元，晶粒间界处原子保持 一定的有序度，通过阶梯式移动实现局部能量的 最低状态.
• 叶恒强、吴希俊[3]的有序无序说。该理论认为纳 米材料晶界结构受晶粒取向和外场作用等一些因 素的限制,在有序和无序之间变化
5.物理方法制备纳米材料
7.纳米材料的应用
1. 在陶瓷领域的应用 2. 在微电子学上的应用 3. 在生物工程上的应用 4. 在光电领域的应用 5. 在化工领域的应用 6. 在医学上的应用 7. 在分子组装方面的应用
纳米结构单元-ok
当 半 导 体 纳 米 微 粒 的 粒 径 r<B （ B 为 激 子 玻 尔 半 径 :
B=h2/e2(1/me-+1/mh+ ），电子的平均自由程受小粒径的
限制，局限在很小的范围，空穴很容易与它形成激子，引 起电子和空穴波函数的重叠，容易产生激子吸收带。因此 空穴约束电子形成激子的概率比常规材料高得多，导致纳 米材料激子的浓度较高。颗粒尺寸越小，形成激子的概率 越大，激子浓度就越高。这种效应称为量子限域效应。
性很强的晶体。
其形状可以是多种多样的，已知的有球状、骨架状、 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体。
二、团簇的研究简史
团簇研究可追溯到20世纪50年代后期，Pecker等人最初
采用超声喷注冷凝法获得了Ar和He的团簇。
六 十 年 代 ， 人 们 在 星 际 物 质 中 发 现 HCN ， HC3N ，
(1)一元团簇，如：Nan, Nin，C60, C70 (2)二元团簇，如：InnPm, AgnSm (3)多元团簇，如：Vn(C6H6)m (4)原子簇化合物，是团簇与其它分子以配位键结合形成 的化合物(例如，某些含Fe-S团簇的蛋白质分子)。
原子团簇不同于具有特定大小和形状的分子，也不同 于分子间以弱的相互作用结合而成的聚集体以及周期
Gap Energy of nano-particle
h2
E(R) = Eg+ 8m*R2 1 = 1 + 1 m* me mh
1.8e2 R + ..
CdSe absorptance optical spectra as a function of nanocrystallite diameter.
第二章 纳米结构单元
A novel route for synthesis of copper oxalate nanoline with different morphology by one-step solid-state reaction
A simple and novel one-step, solid-state reaction for the synthesis of cobalt oxalate nanorods
电化学方法：通过控制电流、电压及溶液浓度大小等 条件，制备一维纳米材料。
Materials Letters, 2002, 53:432
水热合成（溶剂热合成） 水热合成（溶剂热合成）方法 该方法由科技大学钱逸泰院士首创，现已制备出CdS、NiS、HgS、 该方法由科技大学钱逸泰院士首创，现已制备出 、 、 、 CuS、Bi2S3等纳米棒或线。 等纳米棒或线。 、
1984年罗尔芬等人用质谱 仪研究在超声氦气流中被 激光气化的石墨凝聚，发 现了一族全新的碳原子簇 C30-C100。 但没有对其进一步研究。
1985年，英国Sussex大学的Kroto与美国Rice大学的Curl R. F., Smalley R. E.教授合作进行宇宙尘埃的模拟研究，获得了 以C60为主的质谱图，一共有60个碳原子，受美国设计师富 勒设计的圆形穹顶结构的启发，采用了足球32面体结构将60 个碳原子在空间排列成一个大分子，因此把C60这一种笼关 碳原子簇命名为富勒烯，并将具有相似结构的这一类物质命 名为富勒烯或笼碳。C60是由60个碳原子排列于一个截角20 面体的顶点上构成足球式的中空球分子。换句话说，它是由 32面体构成，其中20个六边形，12个五边形，直径约0.7nm.
小结
掌握：几种纳米结构单元的概念及特点 思考：纳米粒子及量子点，纳米线及量子线 在概念上有何不同？
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二、纳米微粒
纳米微粒是指颗粒尺寸为纳米量级的超细微粒， 它的尺度大于原子簇(cluster)，小于通常的 微粉
血液中的红细胞的大小为200～300nm，一般细 菌(例如，大肠杆菌)长度为200—600nm，引起 人体发病的病毒尺寸一般为几十纳米。因此， 纳米微粒的尺寸为红细胞和细菌的几分之一， 与病毒大小相当或略小些，这样小的物体只能 用高倍的电子显微镜进行观察
图3-9
碳纳米管
每个单壁管侧面由碳原子六边形组成， 两端由碳原子的五边形封顶。单壁碳纳 米管可能存在三种类型的结构，分别称 为单臂纳米管、锯齿形纳米管和手性纳 米管
这些类型的碳纳米管的形成，取决于碳 原子的六角阵二维石墨片是如何“卷起 来”形成圆筒形态
图3-10 按截面边缘形状区分的各种碳纳米管
理论计算和实验研究表明，单壁碳纳米管的杨 氏模量和剪切模量都与金刚石相当，其强度是 钢的100倍，而密度却只有钢的六分之一，是 一种新型的“超级纤维”材料
有学者曾对碳纳米管这种“超级纤维”材 料作了一个奇特的设想--用来制造太空升 降机的缆绳 如果人类将来真的有一天能够制造出太空 升降机用作从地球到外层空间站的通道的 话，碳纳米管缆绳将是唯一不会因为自重 而折断的材料
人造原子的意义
人造原子的一个重要特点是放入一个电子或拿出 一个电子很容易引起电荷涨落，放入一个电子相 当于对人造原子充电，这些现象是设计单电子晶 体管的物理基础 研究人造原子中电子的输运特性，特别是该系统 表现出的独有的量子效应将为设计和制造量子效 应原理性器件和纳米结构器件奠定理论基础
一维纳米结构单元
三、人造原子
人造原子(artificial atoms)有时称为量子 点，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l00nm
人造原子和真正原子相似之处 ：
人造原子有离散的能级，电荷也是不连续的，电子在 人造原子中也是以轨道的方式运动 电子填充的规律也与真正原子相似，服从洪德法则
一维纳米材料在纳米电子学、纳米光 电子学、超高密度存储和扫描保针显微镜 等领域有着潜在的应用前景。然而一维纳 米构料的制备仍然是一个面临挑战的课题。 碳纳米管的发现为人们提供了一种典型的 一维纳米材料，并且为其它一维纳米材料 的制备开辟了新的途径
碳纳米管、碳纳米纤维等碳纳米材
料是近年来国际科学的前沿研究领 域之一
C60的结构
Kroto等首先提出了C60的封闭结构设想， C60分子为由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，而不相互联接；32面体共有60个 顶角，每个顶角由一个碳原子占据 这种32面体也可看成是由20面体经截顶后形 成的，故又称截顶20面体 球形C60分子的直径的理论计算值为7.1Å， 大约有3 Å的空心
碳纳米管性能
碳纳米管作为石墨、金刚石等碳晶体家族的 新成员，由于其独特的结构而具备了十分奇 特的化学，物理学，电子学以及力学特性 碳纳米管兼具金属和半导体两种材料的特 性，使它在应用方面显示了诱人的前景。随 着研究的不断深入，碳纳米管将给人类带来 巨大的财富
力学性能
碳纳米管的侧面的基本构成是由六边形碳环 (石墨片)组成，但在管身弯曲和管端口封顶的 半球帽形部位则含有一些五边形和十边形的碳 环结构 构成这些不同碳环结构的碳—碳共价键是自然 界中最稳定的化学键，所以碳纳米管应该具有 非常好的力学性能，其强度接近碳—碳键强度
(a)
(b)
图3-12 两种不同类型(a) 或两种不同管径(b)的碳纳米管 相连时它们之间的过渡结构通常形成的结的特性
在碳纳米管中，如果在连接部位或结构 中由于管体缺陷而出现五／七碳环对时， 在多数情况下都会形成结的电子特性
可以想像，未来的纳米尺度的电子器件 将有可能利用碳纳米管的这种结的电 子特性来进行设计，并在纳米电子器件 中得到广泛应用
(a)单臂纳米管 (b)锯齿形纳米管 ©手性形纳米管
碳纳米管制备方法
电弧法：在惰性气体气氛中，两根石墨 电极直流放电，阴极上产生纳米碳管 热解法：采用过渡金属作催化剂，700－ 1600K的条件下，通过碳氢化合物的分解 得到纳米碳管 激光刻蚀法：采用激光刻蚀高温炉中的 石墨靶子，纳米碳管就存在于惰性气体 夹带的石墨蒸发产物中
图3-2
石墨
石墨中，每个碳原子通过两个单键和一 个双键与其周围的三个相邻的碳原子键合
碳还可能有哪些其他的(起码是满 足成键条件的)同素异形体模型
？
C60 和C70的发现
20世纪80年代美国斯莫雷教授(Smalley)用激 光烧蚀法获得了金属原子团簇
1985年斯莫雷与英国的科洛托教授(Kroto)在 瑞斯(Rice)大学的实验室采用激光轰击石墨靶， 并用苯来收集碳团簇，用质谱仪分析发现了由 60个碳原子构成的碳团簇丰度最高， 同时还 发现了C70等团簇
原子团簇分类
一元原子团簇 C60、C70和富勒烯等) 非碳簇(如B、P、S、Si簇等) 金属团簇(如Nan、Nin等) 碳簇(如 非金属团簇
二元原子团簇（如InnPm、AgnSn等）
多元原子团簇（如Vn(C6H6)m 等）
原子簇和原子簇化合物
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
碳纳米管结构
理想纳米碳管是由碳原子形成的石墨烯片层卷成的无 缝、中空的管体。石墨烯的片层一般可Байду номын сангаас从一层到上 百层，含有一层石墨烯片层的称为单壁纳米碳管，多 于一层的则称为多壁纳米碳管
SWNT的直径一般为1～6 nm，最小直径大约为0.5 nm， 但SWNT的直径大于6nm以后特别不稳定，会发生SWNT管 的塌陷，长度则可达几百纳米到几个微米
世界最细的碳纳米管
日本电气科学家最近在《自然》杂志报告，将石墨棒臵于 充满氢气的气室内，用高压电弧放电，制成了共有18层管 壁的多层碳纳米管，其中最内层的碳纳米管直径仅0.4纳米 香港科技大学科学家同期采取另一种工艺，在具有多孔结 构的沸石中用高温分解，也得到了直径0.4纳米的单层碳 纳米管 这是迄今世界上造出的最小的稳定碳纳米管，也是理论上 可能最小的碳纳米管 如果尺寸再小，就会因碳原子之间的结合角度太小而造成 结构不稳固，不具备实用价值
世界最长的碳纳米管
中科院物理所解思深在成功发明碳纳米管定向 生长新方法的基础上，于1998年又成功制备出 长度达3毫米的超长碳纳米管阵列，其长度比 现有碳纳米管的长度大1-2个数量级，创造了 一项“3mm的世界之最”
新方法制备的超长定向生长的碳纳米管列阵， 除少量碳管轻微弯曲或缠绕外，大多数碳管都 由基底垂直向上生长，并形成高密度和离散分 布的定向碳纳米管列阵
(a)
图3-11
(b)
碳纳米管良好的可弯曲性示意图
碳纳米管具有良好的可弯曲性，不但可以被弯曲成很小 的角度(a)，也可以被弯曲成象发夹似的构造(b)
电
学特性
碳纳米管内流动的电子受到量子限域所致，电子在碳纳米 管中只能在同一层石墨片中沿着碳纳米管的轴向运动，沿 径向的运动将受到很大限制 不同类型的碳纳米管，导电性能也不相同：单臂纳米管总 是金属性的；锯齿形纳米管和手性形纳米管则部分为半导 体性，部分为金属性 随着半导体性碳纳米管直径的增加，带隙变窄，在大直径 情况下，带隙为零，呈现金属的性质 这些十分特殊的电学性能，使碳纳米管在未来的纳米电子 学中将得到广泛的应用，例如，金属性碳纳米管可以用作 纳米集成电路中的连接线，而半导体性碳纳米管则可以用 来制作纳米电子开关和其他纳米量子器件
碳纳米管制备要点
纳米碳管的形成过程是游离态的碳原子或者碳 原子团，发生重新排布的过程
纳米碳管的直径和直径分布主要取决于制备方 法、催化剂的种类、生长温度等反应条件 制备SWNT时，必须添加一定数量的催化剂，如 过渡元素（Ni、Co、Fe等），或者镧系元素， 或者它们的混合物，这是制备SWNT与MWNT的主 要差异
碳纳米管还具有较好的柔性，其延伸率 可达百分之几；良好的可弯曲性，不但 可被弯曲成很小角度，也可被弯曲成极其 微小的环状结构，当弯曲应力去除后，碳 纳米管可以从很大的弯曲变形中完全恢复 到原来的状态；此外，即使受到很大外应 力，碳纳米管也不会发生脆性断裂 这种“超级纤维”材料在未来工业界将会 得到很多的应用，其中之一是用作复合材 料的增强剂
人造原子与真正原子差别 ：
人造原子含有一定数量的真正原子 人造原子的形状和对称性是多种多样 真正的原子可以用简单的球形和立方形来描述，而人 造原子不局限于这些简单的形状，除了高对称性的量子点 外，尺寸小于100nm的低对称性复杂形状的微小体系都可以 称为人造原子 。 人造原子电子间强交互作用比实际原子复杂得多 随着人造原子中原子数目的增加，电子轨道间距减小， 强的库仑排斥和系统的限域效应和泡利不相容原理使电子 自旋朝同样方向进行有序排列 实际原子中电子受原子核吸引作轨道运动，而人造原子中 电子是处于抛物线形的势阱中，具有向势阱底部下落的趋 势，由于库仑排斥作用，部分电子处于势阱上部，弱的束 缚使它们具有自由电子的特征
碳 簇
当前能大量制备并分离的团簇是C60及富勒烯
已知的碳单质:：金刚石，即我们熟悉的钻石;
石墨，用于制造铅笔以及很多很多其他的生 活必需品
碳原子之间可以通过单键，双键和三键键和，
这使得碳的单质和化合物有可能出现足够的 复杂性
图3-1 金刚石
金刚石中，晶格上的每个碳原子向外伸出 四个碳单键，指向正四面体的四个顶点