第3章-纳米结构单元概述

3王广厚<<物理学进展>> 1994年6月，1998年3月cluster ）可作为各种物质原子分子向大块物质转变中的特殊物相，它代表了凝聚态物质团簇研究有助于弄清团簇如何由原子分展，团簇的性质将如何改变，如何发展5以及随着这种发展，团簇的结构和性质如何变化。

(NaCl)n 团簇生长螺旋79•石墨-碳的最常见形态•较软、黑色、结构稳定、原子层状结构•金刚石•透明、超硬、原子间四个共价键•C60-碳单质的另一种稳定结构12个五边形和20个六边形组成又称为富勒烯或足球烯C 60富勒烯（Fullerene）C60 (1985秋)11Prof.R. F. Curl,Rice University,Houston Prof Sir Harold W. Kroto University of SussexProf.R. E. SmalleyRice University因发现富勒烯获得1996年诺贝尔化学奖最细的碳纳米管(0.4 nm)2000年，香港科技大学的汤子康博士即宣布发现了世界上最细的纯碳纳米碳管0.4nm，这一结果已达到碳纳米管的理论极限值。

大块稳定碳晶体⎯石墨0.340.1417A ）单臂碳纳米管：n=mB ）形成锯齿形(n 或m=0)C ）手性（chiral)D ）扫描隧道显微镜照片E ）多壁CNT锯齿形(zigzag): (n 或m=0)单臂碳纳米管(armchair tubes): n=m手性（chiral):其他18T I-V 曲线;b. dI/dV 谱;c. 能隙和管直径关系.单臂SWNT 的态密度（紧束缚计算）STM I-V 谱图Zigzag, d t = 1.6nm θ=18°, d t = 1.7nm θ=21°, d t = 1.5nm θ=11°, d t = 1.8nm Armchair, d t = 1.4nm(Hassanien et al., Appl. Phys. Lett. 73, 3839 (1998))Celectron transistors (RTSET) are realized within individual metallic molecules. The devices feature a section that is createdby inducing local barriers into the microscope. Coulomb charging is 利用单根CNT 制成的单电子晶体管，衬底：Si/SiO2，金电极，标尺200 nm. 沿碳纳米管的弹性输运:电导量子化G = NG 0MWNT电导和垂直位置的函数(Science 280, 1744 (1998))沿长碳纳米管的非相干输运: 高载流子迁移率, s -122（3）二维纳米结构Figure 1HRTEM image ofGaAs/AlAs/GaAs quantum well structure量子阱：镓砷GaAs 窄禁带, 铝镓砷24性多层结构超晶格形成周期性势阱，且不同势阱中束缚态量子相干可以研究表面形成过程，缓解内应力，研究和理解表面再构有利于形成高质量单晶薄膜267 Reconstruction on Si(111)Before reconstruction势垒扩撒中的无规行走:经历n 步后到原点的距离：L = a √n。

一维纳米纳米结构单元
纳米线是一维纳米结构单元的代表。

它们通常以直径为纳米级别的结构单元呈线状排列。

纳米线可以由多种材料制成，如金属、半导体和二维材料等。

纳米线具有很高的长宽比，可以达到几百或几千倍。

这种长宽比的增加使得纳米线具有独特的光电性质，例如增强的光吸收和辐射，使其在能量转换和传感器等领域具有应用潜力。

纳米管是一维纳米结构单元的另一个重要代表。

纳米管是以碳纳米管最为著名，它是由一个或多个碳层卷曲形成的结构单元。

碳纳米管具有优异的力学、电学和热学性质，具有广泛的应用前景。

此外，纳米管还可以由其他材料制成，如金属氧化物、半导体和聚合物等。

这些纳米管的尺寸和性质可以通过调控制备过程中的条件和参数进行调整，从而满足不同应用的需求。

纳米棒是一维纳米结构单元中的另一类重要结构。

与纳米线类似，纳米棒也具有高度有序的排列方式和长宽比。

纳米棒可以由多种材料制成，包括金属、半导体和二维材料等。

它们具有特殊的光学和电学性质，如表面等离子体共振和增强拉曼散射等。

纳米棒在传感器、催化剂、生物医学和光电器件等领域具有广泛应用。

总的来说，一维纳米纳米结构单元具有独特的物理和化学性质，因此在许多领域有着广泛的应用前景。

随着对一维纳米结构单元性质和制备方法的深入研究，相信会有更多的新型一维纳米结构单元涌现出来，为纳米科技的发展做出更大的贡献。

矢量即为手性矢量。

沿与该矢量垂直方向为轴向，将原点与矢量端点重合，即得(n,m)型碳纳米管。

〔3〕特性i) 电子特性：n, m值，即直径和手性角θ值对纳米管的性能影响很大。

碳纳米管的电特性随分子结构改变而发生明显变化〔量子限域，只能沿着轴向运动〕，没有其他任何材料在分子结构不同时具有如此不同的特性。

∣n - m∣= 3qq为整数时, (n,m)纳米管为金属性的(无能隙)。

➢单臂纳米管均为金属性(n = m)➢手性和锯齿纳米管中局部为金属性的〔以上两种情况占小直径纳米管的1/3〕➢手性和锯齿纳米管中局部为半导体〔有限带隙〕：纳米管直径变大，带隙变小→大直径时均为金属性〔锯齿形碳纳米管的能隙反比于管半径的平方〕共轴的金属-半导体、半导体-金属纳米管对是稳定的⇒全碳电子元件〔微型化、高性能、低能耗〕ii) 力学特性：单壁纳米管的抗张强度比钢高100倍，1/6。

其拉力强度是大多数合金的25倍→复合材料的增强剂iii〕化学等方面纳米管作为模板→纳米丝✍贮氢、电池等用途碳纳米管的应用➢碳纳米管阵列体系→场发射器件➢单壁碳纳米管的压电系数高→人工肌肉➢碳纳米管+ 电极→纳米镊子(nanotweezer)➢半导性单壁碳纳米管→化学传感器➢碳纳米管线路→器件微型化➢碳纳米管的弹性→纳米秤(飞克级的病毒)〔4〕制备目标：①连续批量生产；②结构分布均匀且可控；③本钱低，适宜商业生产；④纯度高、易分散。

关键因素：①碳源；②催化剂及载体；③制备条件。

✍催化剂→单壁纳米管✍催化剂、温度等→纳米管直径的分布➢石墨棒直流电弧放电法〔Arc Discharge)➢碳氢化合物催化热分解法，又称CVD法➢激光蒸发气相沉积法➢火焰法第五种形态固体碳〔碳纳米泡沫〕近几十年来，人们对新奇的碳结构的研究有着很大兴趣，比方巴基球结构和纳米管结构。

1997年，澳大利亚的研究者又发现了另外一种碳的形态：蛛网状、与分形相似的合成物，他们称之为纳米泡沫。

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。

纳米材料绪论纳米和纳米科技的概念什么是纳米？纳米是一个长度计量单位，1纳米 = 10-9米。

纳米结构？纳米结构：所谓纳米结构是以纳米尺度的物质单元为基础，按一定规律构筑或营造一种新的体系，它包括一维、二维、三维体系。

纳米结构通常是指尺寸在100纳米以下（1-100nm）的微小结构。

纳米技术？在纳米尺寸上对物质和材料进行研究处理的技术称为纳米技术。

纳米技术本质上是一种用单个原子、分子制造物质的科学技术。

什么是纳米科技？创造和制备各种新型具有优异性能的纳米材料；设计、制备各种纳米器件和装置；探测分析纳米材料,器件的结构,性质及其相互关系和机理。

纳米科技概念的提出与发展人类能够用宏观的机器制造比其体积小的机器,而这较小的机器可以制作更小的机器, 这样一步步达到分子线度, 即逐级地缩小生产装置, 以至最后直接按意愿排列原子,制造产品.那时, 化学将变成根据人们的意愿逐个地准确放置原子的问题。

当2000年人们回顾历史的时候, 他们会为直到1959年才有人想到直接用原子, 分子来制造机器而感到惊讶。

纳米材料纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(10-9～10-7m)或由它们作为基本单元构成的材料.绪论(ⅰ) 零维指在空间三维尺度均在纳米尺度，如纳米尺度颗粒、原子团簇等；(ⅱ) 一维指在空间有两维处于纳米尺度，如纳米丝、纳米棒、纳米管等；(ⅲ) 二维指在三维空间中有一维在纳米尺度，如超薄膜、多层膜；超晶格等。

纳米材料和技术领域发展的历史第一阶段：纳米颗粒(纳米晶、纳米相、纳米非晶等)以及由它们组成的薄膜和块体；第二阶段：纳米复合材料；第三阶段：纳米组装体系。

二、纳米材料的奇异性能纳米材料的特殊性能是由于纳米材料的特殊结构，使之产生四大效应，即小尺寸效应、量子效应（含宏观量子隧道效应）、表面效应和界面效应，从而具有传统材料所不具备的物理、化学性能。

由于纳米材料在磁、热、光、电、催化、生物等方面具有奇异的特性，使其在诸多领域有着非常广泛的应用前景，并已经成为当今世界科技前沿的热点之一。

纳米结构单元总结构成纳米结构的基本单元有：一、团簇原子团簇：几个到几百个原子的聚集体（粒径小于或等于1nm）。

分类：一元原子团簇：又分为金属团簇、非金属团簇（碳簇和非碳簇）；{二元原子团簇：In n P m, Ag n S m；多元原子团簇：V n(C6H6)m；原子簇化合物：是原子团簇与其它分子以配位键结合的化合物。

1、C60（结构与性能）20世纪80年代发现（1985年），如今能大量制备并分离。

R.F.Curl、R.E.Smalley（美国）和H.W.Kroto（英国）获1996年诺贝尔化学奖。

富勒烯名字的来源。

具有很多独特性能：稳定性好，抗压性强，耐压程度远超过金刚石，具有超导性，其溶液具有光限性。

2、纳米洋葱状富勒烯（NOLFs）具有很多用途。

二、人造原子三、一维纳米材料1. 碳纳米管纳米管： 2. 其他纳米管3. 纳米线、纳米丝、纳米棒、纳米带、同轴纳米电缆1、碳纳米管椅形单壁Z字形结构手性多壁单壁碳管的管束、管束环电弧放电法，用的最多，介绍了原理单壁碳管的制备 化学气相沉淀法激光蒸发法提纯与分离多壁碳管纳米碳管结构的稳定性 悬键少 极限直径应力能大纳米碳管直径的理论极限值大约为0.4nm 。

纳米碳管的特性A 、 电磁特性B 、 力学性能及测量方法，解释优良力学特性的理由C 、 热学性能D 、 光学性能E 、 其它2、其它纳米管（重点介绍了导电聚合物）（1） 模板制备法A 、 多孔模板法 有机模板：聚合物刻蚀膜，聚碳酸酯或聚酯制备的多孔过滤膜 无机模板：多孔氧化铝膜B 、 线模板法C 、 合成：电化学法化学合成法分子锚的作用解释管的形成。

聚合物链带阳离子，而管壁为阴离子型。

（2） 非模板制备法（自组装法）3、纳米棒、纳米丝、纳米线划分无统一标准。

有的将长度小于1微米的称为纳米棒，反之为纳米丝或纳米线。

4、同轴纳米电缆{{ {。