零维纳米结构单元
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纳米材料的分类
按照特殊性能，又可分为纳米润滑剂、纳米光电材料、纳米半透膜等 纳米半导体、纳米磁性材料、纳米
线性光学材料、纳米铁电体、纳米超导材料、纳米热电材料等。
按应用可分为纳米电子材料、纳米光电子材料、纳米生物医用材
料、纳米敏感材料、纳米储能材料等。
纳米材料大部分都是用人工制备的,属于人工材料,
但是自然界中早就存在纳米微粒和纳米固体。例如天体
的陨石碎片,人体和兽类的牙齿都是由纳米微粒构成的
, 而浩瀚的海洋就是一个庞大超微粒的聚集场所.
按照材质，可分为金属纳米材料、无机纳米材料、有机纳米材料等；
按照几何结构，可分为零维纳米材料（颗粒）、一维纳米材料（纳米管或纤维）、二维纳米材料（薄膜）、三维纳米材料（纳米块体）；
按照用途，可分为功能纳米材料和结构纳米材料；
如果按维数,
纳米材料的基本单元可以分为3 类:
(1)0维,指在空间3维尺度均在纳米尺度,如纳米尺度颗粒,原子团簇等;
(2)1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
(3)2维,指在3维空间中有1维在纳米尺度,如超薄膜多层膜,超晶格等。
按化学组成可分为:纳米金属、纳米晶体、纳米陶瓷、纳米玻璃、纳米
线性光学材料、纳米铁电体、纳米超导材料、纳米热电材料等。
按应用可分为纳米电子材料、纳米光电子材料、纳米生物医用材
料、纳米敏感材料、纳米储能材料等。
纳米材料大部分都是用人工制备的,属于人工材料,
但是自然界中早就存在纳米微粒和纳米固体。例如天体
的陨石碎片,人体和兽类的牙齿都是由纳米微粒构成的
, 而浩瀚的海洋就是一个庞大超微粒的聚集场所.
按照材质，可分为金属纳米材料、无机纳米材料、有机纳米材料等；
按照几何结构，可分为零维纳米材料（颗粒）、一维纳米材料（纳米管或纤维）、二维纳米材料（薄膜）、三维纳米材料（纳米块体）；
按照用途，可分为功能纳米材料和结构纳米材料；
如果按维数,
纳米材料的基本单元可以分为3 类:
(1)0维,指在空间3维尺度均在纳米尺度,如纳米尺度颗粒,原子团簇等;
(2)1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
(3)2维,指在3维空间中有1维在纳米尺度,如超薄膜多层膜,超晶格等。
按化学组成可分为:纳米金属、纳米晶体、纳米陶瓷、纳米玻璃、纳米
GaAs简单介绍
GaБайду номын сангаасs半导体材料简单介绍
纳米材料的基本单元可按维数分为三类：
零维纳米材料：类似于点状结构，立体空间的三个方向均 在纳米尺度，如纳米微粒，原子团簇等。 一维纳米材料：类似于现状结构，立体空间的三个方向有 两个方向在纳米尺度，如纳米线、纳米棒、纳米管等。
二维纳米材料：类似于面状结构，立体空间的三个方向有 一个方向在纳米尺度，如纳米薄膜、纳米多层膜、超晶格 薄膜等。
GaAs简单介绍：
砷化镓(Gallium Arsenide）:简称GaAs，是镓和砷两种元素 所合成的化合物，也是重要的要的IIIA族、VA族化合物半 导体材料，用来制作微波集成电路、红外线二极管、半导 体激光器和太阳电池等原件。 优点：GaAs与硅不同，它是直接带隙材料，具有电子饱和 漂移速度高，耐高温，抗辐照等特点；在超高速、超高频、 低功耗、低噪音器件和电路，特别在光电子器件和光电集 成方面占有独特的优势。
超晶格：
超晶格材料是两种不同组元以几个纳米到几 十个纳米的薄层交替生长并保持严格周期性 的多层膜，事实上就是特定形式的层状精细 复合材料。
量子阱、量子线、量子点图示
量子线、量子点、量子阱概念介绍
量子线：在凝聚态物理中,量子线指导电性质受 到量子效应影响的导线.由于传导电子在切向上 受到量子束缚,切向能量呈现量子化 量子点：是准零维(quasi-zero-dimensional)的纳 米材料，由少量的原子所构成。粗略地说，量子 点三个维度的尺寸都在100纳米(nm)以下，外观 恰似一极小的点状物 量子阱：量子阱（QW）是指由2种不同的半导体 材料相间排列形成的、具有明显量子限制效应的 电子或空穴的势阱。
2D
1D
0D
零维，一维，二维纳米材料称为低维材料
纳米材料的基本单元可按维数分为三类：
零维纳米材料：类似于点状结构，立体空间的三个方向均 在纳米尺度，如纳米微粒，原子团簇等。 一维纳米材料：类似于现状结构，立体空间的三个方向有 两个方向在纳米尺度，如纳米线、纳米棒、纳米管等。
二维纳米材料：类似于面状结构，立体空间的三个方向有 一个方向在纳米尺度，如纳米薄膜、纳米多层膜、超晶格 薄膜等。
GaAs简单介绍：
砷化镓(Gallium Arsenide）:简称GaAs，是镓和砷两种元素 所合成的化合物，也是重要的要的IIIA族、VA族化合物半 导体材料，用来制作微波集成电路、红外线二极管、半导 体激光器和太阳电池等原件。 优点：GaAs与硅不同，它是直接带隙材料，具有电子饱和 漂移速度高，耐高温，抗辐照等特点；在超高速、超高频、 低功耗、低噪音器件和电路，特别在光电子器件和光电集 成方面占有独特的优势。
超晶格：
超晶格材料是两种不同组元以几个纳米到几 十个纳米的薄层交替生长并保持严格周期性 的多层膜，事实上就是特定形式的层状精细 复合材料。
量子阱、量子线、量子点图示
量子线、量子点、量子阱概念介绍
量子线：在凝聚态物理中,量子线指导电性质受 到量子效应影响的导线.由于传导电子在切向上 受到量子束缚,切向能量呈现量子化 量子点：是准零维(quasi-zero-dimensional)的纳 米材料，由少量的原子所构成。粗略地说，量子 点三个维度的尺寸都在100纳米(nm)以下，外观 恰似一极小的点状物 量子阱：量子阱（QW）是指由2种不同的半导体 材料相间排列形成的、具有明显量子限制效应的 电子或空穴的势阱。
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零维，一维，二维纳米材料称为低维材料
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
TX, USA
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
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。
第三章 零维纳米材料
图 颗粒由于布朗运动发生聚集
控制液相法制备过程中的“聚集” 是液相法中的关键科学问题之一
沉淀生长:共沉淀法\均匀沉淀法\金属醇盐水解\沉淀转化法 电解生长: 溶胶-凝胶法：
（１）共沉淀法：在含有多种阳离子的溶液中加入沉淀剂，使 金属阳离子全都完全沉淀的 方法称为共沉淀法。
共沉淀法又可主要分为两大类：①单相共沉淀，即沉淀物为单一化合 物或单相固溶体。该类沉淀的适用范围很窄，仅对有限的草酸盐 ［Xm(C2O4)n］体系沉淀适用，可用于制备BaTiO3、PbTiO3等PZT系 电子陶瓷粉体。②混合物共沉淀，即沉淀产物为混合物。其过程较为 复杂，溶液中不同种类的阳离子可能不能同时沉淀（沉淀先后与溶液 的pH值有关）。
颗粒在做“布朗运动”时彼此会经常碰撞到，由于吸引作用，它们会 连接在一起。二次颗粒较单一粒子运动的速度慢，但仍有可能与其它 粒子发生碰撞，进而形成更大的团聚体，直到大到无法运动，从悬浮 体中沉降下来。这样的一个过程称为“聚集”（aggregation process）， 如图所示。
x
RT t N A 3r
化学气相沉积是半导体工业中应用最为广泛的用来沉积多种材 料的技术，包括大范围的绝缘材料、大多数金属材料和金属合 金材料。其基本原理很简单：将两种或两种以上的气态原材料 导入到一个反应室内，然后它们相互之间发生化学反应，形成 一种新的材料，沉积到基片表面上。如沉积制备氮化硅材料 （Si3N4）就是由硅烷和氮反应而形成的。 CVD技术常常通过反应类型或者压力来分类，包括低压CVD （LPCVD）、常压CVD（APCVD）、亚常压CVD （SACVD）、超高真空ＣＶＤ（UHCVD）、等离子体增强 CVD（PECVD）、高密度等离子体CVD（HDPCVD）以及快 热CVD（RTCVD）等。现在，大规模制备GaN宽禁带半导体 材料的主要方法是金属有机物CVD（MOCVD）。
第二章 零维纳米结构
化合物可能出现足够的复杂性。 当前能大量制备并分离的团簇是C60及其他富勒烯（fullerenes）
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。
2013-6-22
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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。
3.纳米结构单元(1)
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
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• 幻数稳定团簇(magic cluster) 是指特定原子数 目的团簇具有闭合的电子或原子壳层结构，因 此稳定性极高。这里特定的原子数目称作幻数 (magic number) 。
• 幻数是一系列分离的数。团簇中的原子个数只 有等于幻数时,才会具有极高的稳定性。
• • • • • •
3 .原子团簇的奇异的特性： （1）极大的比表面。 （2）异常高的化学和催化活性。metal （3）光的量子尺寸效应和非线性效应。 （4）电导的几何尺寸效应。carbon （5）C60掺杂及掺包原子的导电性和超导 性。 • （6）碳管、碳葱的导电性。
电子能态密度与尺度的关系
3－D
大块材料
量子阱
2－D
量子线
1－D
量子点 0－D
零维纳米结构单元
零维纳米结构单元的种类：纳米粒子（Nanoparticle）、超细粒子（Ultrafine particle)、超细粉 （ Ultrafine Powder）、烟粒子（Smoke Particle） 人造原子（Artficle Atoms）、量子点、原子团簇 （Atomic Cluster），他们之间不同之处在于各自的尺 寸范围稍有区别。
• 第一节 团簇(cluster)
• 1. 定义： • 原子团簇是指几个至几百个原子的聚集体(粒径小于或等于l nm)。 • 它介于单个原子与固体之间。 • 其研究从20世纪70年代中期开始, 是多学科的交叉。 • 如Fen，CunSm，CnHm ，Vn(C6H6)m (n和m都是整数) • 金属原子团簇和非金属原子团簇
• 2 原子团簇的分类：
•
• • • • （1）一元原子团簇，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，是原子团簇与其它分子 以配位键结合形成的化合物（例如，某些含FeS团簇的蛋白质分子）。
• 形状多样化：线状、层状、管状、洋葱状、骨 架状、球状等。
• 非金属原子团簇：碳簇(富勒烯C60，C70等)和非碳簇等。
• 团簇往往产生于非平衡条件，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 的结构发生变化，称为重构。 • 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驰豫(不同电 子态引起的原子平衡位臵不同）外，增加原子 不再发生重构，其性质也不会发生显著改变， 这就是临界尺寸。
• 英国萨塞克斯大学的波谱学家克罗托 （H.W.Kroto）在研究星际空间汽暗云中 富含碳的尘埃时，发现此尘埃中有氰基 聚炔分子（HCnN，n<15），克罗托很想 研究该分子形成的机制，但没有相应的 仪器设备。
• 1984年克罗托赴美参加在德克萨斯州举 行的学术会议，并到莱斯大学参观，经 该校化学系系主任科尔（R.F.Curl，Jr） 教授介绍，认识了研究原子簇化学的斯 莫利（R.E.Smally）教授，观看了斯莫利 和他的研究生用他们设计的激光超团簇 发生器，在氦气中用激光使碳化硅变成 蒸气的实验，克罗托对这台仪器非常感 兴趣。
• 因为纳米单元往往具有量子性质， 所以对零维、一维和二维的基本单 元分别又有量子点、量子线和量子 阱之称。
• 量子点： • 是指载流子在三个方向上的运动都要 受到约束的材料体系，即电子在三个 维度上的能量都是量子化的。也叫零 维量子点。
• 量子线： • 是指载流子仅在一个方向上可以自由运动， 而在另外两个方向上则受到约束。也叫一 2－D 维量子线。 量子阱 • 量子阱：
新型碳基纳米材料
• C60 （ buckminsterfullerene) 及 富 勒 烯 （fullerene）的发现和合成过程 • 意外的发现 • 1985 年 ， Smalley 与 英 国 的 Kroto 等 人 在 瑞 斯 (Rice)大学的实验室采用激光轰击石墨靶，使 石墨中的碳原子汽化，用氦气流把气态碳原子 送入真空室。迅速冷却后形成碳原子簇，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，通称为C60，同 时还发现C70等团簇。
MgH2
鲱骨状
层状
轨道状
Cu分形状
多孔状
Au-足球状
洋葱状
• 团簇的物理和化学性质随所含原子数目而 变化，其许多性质既不同于单个原子、分 子，又不同于固体和液体，是介于原子、 分子与宏观固体之间的物质结构的新层次， 有时被称为物质的“第五态” 。
• 2.团簇的幻数：
• 在各种团簇的质谱分析中，有一个共同的规律： • 在团簇的丰度随着所含原子数目n的增大而缓慢 下降的过程中，在某些特定值n=N，出现突然增 强的峰值，表明具有这些特定原子（分子）数 目的团簇具有特别高的热力学稳定性。这个数 目 N 就叫做团簇的幻数（Magic Number）。 • 这种特征，与原子中的电子状态，原子核中的 核子状态很相似，表明团 簇 也 具 有 壳 层 结 构 （shell structure）。这与团簇的对称性和相互 作用势密切相关。
• 意外的发现 • 1985年，Smalley与英国的Kroto等人在瑞 斯(Rice)大学的实验室采用激光轰击石墨 靶，使石墨中的碳原子汽化，用氦气流 把气态碳原子送入真空室。迅速冷却后 形成碳原子簇，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，通称为C60，同时还 发现C70等团簇。
• 到底C60的结构什么样？是不是像他们三人所推 测的那样？当时用激光蒸发石墨只能得到极微 量的C60，难以满足结构分析的需要。 • 为寻找合成大量C60的方法，1990年，德国马普 核物理所的物理学家克列希默（Kratschmer） 等用电弧法制得了毫克级的富勒烯，是以石墨 作电极，在氦气中通电，石墨电极蒸发为蒸汽， 冷却后得到含有5％～10％C60和C70混合物的烟 灰，此烟灰可溶于苯或甲苯中，利用重结晶或 液相色谱法将它们分离，得到纯C60和C70。
• 物理学家关于利用原子簇进行星际尘埃的研究， 首先为C60的发现打开了一道缺口。 • 神秘的“骆驼样品” • 1983 年 ， 美 国 物 理 学 家 霍 夫 曼 D ． R ． Huffman 和 德 国 克 拉 次 其 默 W．Kratschmer等人合作，氦气气氛中使石墨 电极间放电产生原子簇的方法，测量不同形式 的炭烟的远紫外光谱和拉曼光谱，发现炭灰样 品在远紫外区出现强烈的吸收带，产生了形似 驼峰的独特双峰，霍夫曼等形象地称之为“骆 驼样品”（the Camel Sample）。但他们并没 有意识到这两个双峰意味着什么，也未进一步 深入研究。
第三章 零维纳米结构单元
• 纳米材料 的基本单元 按结构分为
• 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；
• 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
• 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
• 三维 三维纳米结构（3D Nanostructure) 是指由零维、一维、二维中的一种或多 种基本结构单元组成的复合材料，其中 包括：横向结构尺寸小于100nm的物体； 纳米微粒与常规材料的复合体；粗糙度 小于100nm的表面；纳米微粒与多孔介 质的组装体系。
• 经红外光谱，紫外可见光谱，电镜扫描，粉末 和晶体X射线衍射分析等方法对C60 和C70 进行 结构分析，证实了克罗托等人的推理是完全正 确的C60是球笼状，C70是橄揽球笼状（图）。 • 由于克罗托、科尔、斯莫利三位科学家在富勒 烯研究中的杰出贡献，他们共同荣获了1996年 的诺贝尔化学奖。
• “罗尔芬”遗憾 • 1984 年 ， 美 国 天 体 物 理 学 家 罗 尔 芬 （E．A．Rohlfing）为了解释星际尘埃的组成， 进行了关于星际尘埃中长碳链原子簇的研究。 • 采用大功率、短脉冲激光发生器使石墨蒸发， 在飞行时间质谱仪上观察到，在碳原子数n=60 和n=70处出现了明显的特征峰，说明炭灰中存 在着包含60和70个碳原子的原子团簇。 • 这实际上就是后来发现的C60和C70。遗憾的是， 罗尔芬等由于过分注重实验结果，没有意识到 碳元素新成员的存在，而只是简单主观地归结 为碳原子团簇的线性链结构，痛失发现C60的大 好机会，最终使这一荣誉幸运地落到了克罗托 和斯莫利等人的头上。
激光烧蚀法设备
C60
C70
• Kroto 研究小组 获得的碳原子团 簇的质谱图
• 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· 勒 富 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”。
• 克罗托想换上石墨靶，检验斯莫利的这台机器 是否真的能够生成长链分子，测出它们的光谱。 但开始斯莫利对此不感兴趣 。 • 三位科学家有意合作并安排在1985年8月到9月 间进行合作研究。 • 1985年8月23日，在第二代团簇束流发生器中 第一次装上了石墨靶。当天，实验人员在观测 碳64的信号时，意外地发现碳60的信号明显地 超出了仪器的量程，经测试，碳60的信号比相 邻的碳62信号高出大约20倍。
• 在富勒的启发下，克罗托、斯莫利和科尔用硬 纸板剪成许多五边形和六边形，终于用12个五 边形、20个六边形组成了一个中空的32面体， 五边形互不邻接，而是与五个六边形相接，每 个六边形又与3个六边形和3个五边形间隔相接， 共有60个顶角，碳原子位于顶角上，是一个完 美对称的分子（图）。
• 由于是在富勒的启发下，他们三人推测出了C60 的球形结构，因此1985年他们在《自然》杂志 上 发 表 文 章 时 ， 特 意 给 C60 取 名 为 Buckminsterfullerene，即巴克明斯特富勒烯， 简称Fullerene即富勒烯，或用富勒的名字称为 Buckyball即巴基球。因C60 酷似英式足球，所 以又称为Soccerene，即足球烯。