第二章 纳米结构单元1
几十μm到几十cm，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: 分别为: 单壁纳米管， 锯齿形纳米管 手性纳米管。
A 单臂纳米管
B 锯齿形纳米管C 手性纳米管 Nhomakorabea
这些类型的碳纳米管的形成取决于碳原子的六角 点阵的二维石墨是如何卷起来成管的。
(二) 碳纳米管的合成
电弧放电法和激光蒸发法是目前获得高品质 碳纳米管的主要方法。 然而反应在30000C以上，将固体的碳蒸发 成碳原子，限制合成碳纳米管的数量 而且也很难将生产规模扩大到千克水平。
人造原子与真正原子有许多相似之处：
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，这与真正原子极为相似。 电子填充的规律与真正原子相似，服从洪 特规则，第一激发态存在三重态。
人造原子与真正原子的差别在于：
I II 人造原子含有一定数量的真正原子。 真正的原子可以用球形和立方形来描述. 人造原子的形状和对称形式多种多样, 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。
富勒烯的电子亲和势:
C70 2.72eV
C76 2.88eV,
C78
3.1eV
随原子量的增加而增加.
C70的结构
高碳富勒烯的合成和分离是 富勒烯研究的热点
富勒烯的制备、分离和纯化
制备
可得到以g为数量级C60和C70, 分子量较大的数量较少
制备的方法: 激光蒸发石墨法 石墨电弧放电法 太阳能蒸发石墨法, 石墨高频电炉加热蒸发法, 苯火焰燃烧法, 萘热解法以及有机合成法
2.1.2 C60和富勒烯
碳元素有两种同素异形体， 一种是柔软的石墨，另一种是坚硬的金 刚石。
1985 美国科学家Curl, Smalley和英国科学家 Kroto 发现了 以C60和C70为代表的富勒烯
斯莫利(Richard E.Smalley) 克罗托(Harold W.Kroto) 柯尔(Robert Curl)
电学特性和机械特性而备受瞩目。
碳纳米管具有：
I 很高的杨氏模量和抗拉强度
2014-5-18
39
II 并且根据其螺旋性和直径的不同，可 以表现出金属性，半导体性和半金属性
利用单根或大量碳纳米管的上述特性，人
们已经开发出先进的扫描探针、纳米电子
器件和场致发射电子源。
2.2.1.1 发展
1970年法国的Endo首次用气相生长
十厘米长的连续纳米管线。
C nanotube Sci., 2003,296,884
2.2.1.2 碳纳米管的结构、合成、性能及应用
㈠ 结构 多层碳纳米管一般由几个到几十个单壁碳纳米管同 轴构成，管的间距为0.34nm左右，这相当于石墨 的{0002}面间距。
SWNTs,
MWNT
碳纳米管的直径为0.4nm到几十nm ,长度一般是
原子团簇的研究是多学科的交叉
是跨合成化学、化学动力学、晶体 化学、结构化学等化学分支 又是跨原子分子物理、表面物理、 晶体生长，非晶态等物理学分支 也和星际分子、矿物成因等交叉。
原子团簇不同于具有特定大小的分子（H2）， 不同于分子间以弱的结合力结合的松散分子 团簇
不同于周期性很强的晶体，原子团簇的形状 可以是多种多样的，他们尚未形成规整的晶 体。
第二章 纳米结构单元
构成纳米结构的基本单元有: O维: 团簇、纳米颗粒、八面体、三角形、多面体等
一维: 纳米线、纳米棒、纳米带、纳米管和纳米锥等
二维: 纳米片等
2.1 O维纳米材料
2.1.1 团簇
原子团簇是二十世纪八十年代才出现的， 原子团簇: 指几个至几百个原子的聚集体（粒 径一般等于或小于1nm） 例如: CnHm（n与m都是整数） 碳簇（C60、C70和富勒烯等）
他们很快得出结论，认为C60具有球形结构， 并用圆顶建筑的发明人Buckminster Fuller的 名字命名为富勒烯。
1990年Huffman等发明了制备大量富勒烯的方法，从 而使以C60为主要代表的富勒烯的研究在全球发展起来。
C 60的结构：
60个碳原子组成的球，20个正6边形以及12个正5边 形组成的32面的闭合球体。 其中6边形与5边形共享的 C-C单键， a5 = 0.146nm
溶剂: • 甲苯, 己烷和庚烷: C60,C78, C84, C90, C96 • 吡啶或1,2,3,5-四甲基苯 : 高到C466
分离纯化的方法:
液相色谱法,
剃度升温的升华法, 气相分离以及蒸发法
其中液相色谱法最常用
固定相: 氧化铝, 流动相: 己烷-甲苯(95: 5)
富勒烯的提纯,分离的方案图
2.1.3 纳米微粒
纳米微粒: 是指颗粒尺寸为纳米量级的超细微粒，它的尺寸 大于原子簇小于通常的微米（尺寸一般在1～100nm）
2.2.1.
超细微粒 为1～ 1000nm（以1 ～ 100nm 为主），
超微粒:
纳米微粒是肉眼和一般显微镜观察不到的微小粒子。
血液中的红血球大小为: 200 ～ 300nm， 一般细菌的长度为200 ～ 600nm， 病毒的尺寸为几十纳米。 纳米微粒的尺寸为红血球和细菌的几分之一，与 病毒大约相当或略小些。 一般只能用电子显微镜进行观察。所以日本名古屋大学 上天良二认为 纳米微粒：用电子显微镜能看到的微粒称为纳米微粒。
2014-5-18 36
它可以用作： STM针尖
纳米器件(化学与生物传感器等)
超大集成电路中的连线 光导纤维 微电子学方面的微型钻头
复合材料的增强剂等
目前关于一维纳米材料的研究有大量的报道，
我们主要介绍：
碳纳米管 纳米棒 纳米丝 同轴纳米电缆 纳米带
2.2.1
碳纳米管
碳纳米管以其独一无二且颇具发展潜力的结构特性，
C60的发现过程：
1966年Jones提出全碳分子的设想 1970年Osawa在合成碗状轮烯的启发下提出合成 C60的设想 1984年Rohfling用激光蒸发石墨时发现了C团簇 （Cn n=8～100）其中C60较为明显，只是强 调n 均为偶数 1985年Kroto和Curl用脉冲激光蒸发石墨, 并用时 间飞行质谱对反应物进行监测，发现720nm(C60) 和840nm C70的质谱峰有很大的强度
III 人造原子中电子间强相互作用比实际原 子复杂的多 随着人造原子中真正原子数目的增加，电子 轨道的间距减小，强的库仑排斥，系统的限 域效应和泡利不相容原理使电子自旋朝同 样的方向进行有序排列。 因此，人造原子是多电子系统。
IV 实际原子中电子受原子核吸引作轨道运动 人造原子中的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 电子处于势阱的上部，弱的束缚是它们具有自由电 子的特征。 V 人造原子还有一个主要特点: 是放入一个电子或拿出一个电子很可能引起电 荷涨落，放入一个电子相当于充电，这种现象是设 计单电子晶体管的物理基础。
当粒子尺寸进入纳米量级时，其本身具有: 量子尺寸效应 表面效应 宏观量子隧道效应 展现出许多特有的性质: 在催化、光吸收、医药及新材料方面有广阔的前景。
所以有人试图把纳米微粒与基本粒子，原子
核，原子，分子，大块物质，恒星，星系等 相提并论
认为原子簇和纳米微粒是由微观世界向宏观世界的
过渡区域，许多生物活性由此产生和发展。
0.709nm(计算)
0.710±0.007nm(实验)
(侯建国2002证实)
每个C 原子的结合能为7.4eV
稳定性好
随富勒烯中C原子数的增加, C原子的种类以及
C-C的种类也在增加,对称性和稳定性降低.
其他的富勒烯结构更加复杂。
C70以及其他Fuller烯的结构
其他的富勒烯:C70, C76,C78, C82, C84, C240, C330以及C600C700之间的团簇. C70有 5种独立的碳原子
S. Iijima
几乎同时莫斯科化学物理所也独立发现了碳
纳米管和纳米管束
1996年Smalley等合成了成行排列的单臂碳
纳米管束
我国物理所解思深等实现了碳纳米管的定向 生长，合成了毫米级纳米碳管。
Xie S S et al Sci. 274,1701(1996)
2003年5月清华大学吴德海等合成了几
2. 1. 4 人造原子
人造原子(artifical atom):是由一定数量的实际原子 组成的聚集体，其尺寸小于100nm. 人们可把半导体量子点称为人造原子。 后来人们把人造原子的内涵进一步扩大 从维数来看，包括零维的量子点，准一维的量子棒和 二维的量子圆盘，甚至把100nm左右的量子器件也看 作是人造原子。
两个6边形公用的C-C双键 C60中的键
a6 = 0.140nm
从其结构可以看出:
蔻烯分子单元：一个5边形与5个6边形组成的。 派拉希分子单元：2个5边形及2个6边形组成的
(2)
(5)
富勒烯中2个5边形之间的距离最大，这样有
利于分子的弯曲程度及张力最小，有利于分 子结构更加稳定。
C60的直径:
出了直径为7nm的碳纤维。
遗憾的是他未能对这些碳纤维进行仔细 的观察和表征，未能发现它是一个管状。
1991年，美国科学家设计出了一种碳纳米管的电子结
构，但认为近期不可能合成碳纳米管。
同年1月日本饭岛首次用 HRTEM观察到 了碳纳米管， 这些碳纳米管是多层同轴管，
也叫巴基管（Bucky tube)
石墨电弧放电法: 产率较高 是主要方法
•起弧电流: 交流或直流(100-200A) 原理: 石墨电极间形成电弧, 电弧放电过程使石 墨气化.在高温下,碳原子或石墨碎片相互碰 撞, 联结,从而生成各种富勒烯分子.
东南大学纳米物理：3.纳米结构的基本单元
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。
纳米材料的结构与性质课件
立方体数
1 1015 1018 1021
每面面积
1 cm2 10-8 cm2 10-12 cm2 10-14 cm2
总表面 积
6 cm2 6×105cm2 6×106cm2 6×107cm2
•例如，粒径为10 nm时，比表面积为90 m2/g， •粒径为5 nm时，比表面积为180 m2/g， •粒径下降到2 nm时，比表面积猛增到450 m2/g
Au微粒的粒径与熔点的关系，如图所示。
图中看出，超细颗粒的熔点随着粒径的减小而下降。 当粒径小于10 nm时，熔点急剧下降。其中3nm左右 的金微粒子的熔点只有其块体材料熔点的一半。
熔点下降的原因： 由于颗粒小，纳米微粒的表面能高、表面原
子数多，这些表面原子近邻配位不全，活性 大(为原子运动提供动力)，纳米粒子熔化时 所需增加的内能小，这就使得纳米微粒熔点 急剧下降。
1.3 纳米微粒的物理特性
一、纳米微粒的结构与形貌
纳米微粒一般
为球形或类球形。
往往呈现多面体
或截角多面体。
Bi
蒸发
其他的形状可以与
不同合成方法和
其晶体结构有关。
Bi球形粒子
PMMA乳液聚合法，与无机物不同，高分子大多数是无定形 或结晶度比较低。表面能最低。
球形
Ni链蒸发
链状的，高温下，由许多粒子边界融合连 接而成。
于10nm量级时尤为显著。
例如，块状金的常规熔点为1064 ℃， 当颗粒尺寸减小到10 nm尺寸时，则降低27℃，
2 nm尺寸时的熔点仅为327℃左右。
3. 表面效应
10纳米
1纳米
0.1纳米
随着尺寸的减小，比表面积迅速增大
表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数 之比随着粒子尺寸的减小而大幅度的增加，粒 子的表面能及表面张力也随着增加，从而引起 纳米粒子物理、化学性质的变化。
纳米结构单元纳米颗粒PPT课件
M[M’(OR)n+1] 例：Ni[Fe(OEt)4]2
b) 金属醇盐混合溶液法
下一页
NiFe2O4
第17页/共53页
(2) 喷雾法
• 将溶液通过各种物理手段进行雾化获得超微粒子的一种 化学与物理相结合的方法。
第18页/共53页
(3) 水热法
• 水热反应是高温高 压下在水(水溶液) 或水蒸气等流体中 进行有关化学反应 的总称。
倒入
超纯水
DAP纳米粒子的水分散液
1-phenyl-3-((dimethylamino)styryl)-5((dimethylamino)phenyl)-2-pyrazoline (PDDP)
1,3-diphenyl-5-pyrenyl-2-pyrazoline (DPP)
具有不同于溶液的荧光发射光谱
• 可制备的物质包括：金属、 CaF2、NaCl、FeF等离子化 合物、过渡金属氧化物及易 升华的氧化物等
第5页/共53页
(2)活性氢-熔融金属反应法
第6页/共53页
(3)溅射法
• 原理：由于两极间的辉光放电 使Ar离子形成，在电场作用下， Ar离子冲击阴极靶材表面，使 靶材原子从其表面蒸发出来形 成超微粒子，并在附着面上沉 积下来。
(5)溶剂-凝胶法(胶体化学法)
第23页/共53页
(6)辐射化学合成法
• 用射线辐照金属盐的溶液制备纳米颗粒；
• 制备种类：Cu、Ag、Au、Pt、Pd、Co、Ni、Cd、Sn、 Pb、Ag-Cu、Au-Cu、Cu2O纳米粉体或纳米Ag/非晶 SiO2复合材料
例①：纳米Cu的制备
0.01mol/L CuSO4 +0.1mol/LC12H25NaSO4 +0.01mol/LEDTA +3.0mol/L (CH3)2CHOH
纳米材料的结构与性质ppt文档
▪ 自组装体系形成的条件： （1）有足够数量的非共价键或氢键的存在； （2）自组装体系能量较低。
▪ 自组装技术——自下而上、由小而大的制作方法，即从原 子或分子级开始完整地构造器件。 （1）人工纳米结构组装体系 （2）纳米结构自组装体系和分子自组装体系
纳米材料的结构与性质
第2章 纳米材料的结构与性质
2.1 纳米材料的结构 2.2 纳米材料的性质 2.3 纳米材料的团聚与分散 2.4 纳米颗粒表面修饰
教学目标及基本要求
▪ 掌握纳米材料的结构、性质、团聚与分散、 表面修饰
2.1 纳米材料的结构
（1） 纳米颗粒型材料
▪ 纳米粒子：粒度在100nm以下的粉末或颗粒。 ▪ 超微粒子介于簇（1nm以下）和微粉之间。 ▪ 纳米微粒的形态各异，有球形、片形、棒形、
正已烷中CdSe的室温光学吸收谱
Wavelength of absorption threshold as a function of particle size
吸收阈值
Rayleigh light-scattering of particles deposited on a microscope glass slide
▪ 纳米材料可大大降低电容器的尺寸，其高介电性 可保持高容量。
2.3 纳米材料的团聚与分散
2.3.1 纳米材料的团聚
▪ 纳米粉体的团聚——原生的纳米粉体颗粒在制 备、分离、处理及存放过程中相互连接形成较 大的颗粒团聚的现象。
▪ 原因：纳米材料粒径减小，比表面积增大，表 面能增高，表面活性增加，颗粒间吸引力增强， 颗粒易团聚。
纳米 材料第二章 纳米材料与技术
4.3 纳米材料的表面效应
➢表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比
随着粒子尺寸的减小而大幅度的增加，粒子的表面能 及表面张力也随着增加，从而引起纳米粒子物理、化 学性质的变化。
1.比表面积的增加
➢ 比表面积常用总表面积与质量或总体积的比值表示。质量比表面积、 体积比表面积
➢ 当颗粒细化时，粒子逐渐减小时，总表面积急剧增大，比表面积相 应的也急剧加大。
2、纳米材料的发展趋势
➢ 探索和发现纳米材料的新现象、新性质
➢ 根据需要设计纳米材料，研究新的合成和制备方法
以及可行的工业化生产技术
➢ 深入研究有关纳米材料的基本理论
第四节 纳米材料的基本效应
4.1 纳米材料的量子尺寸效应 一、原子分立尺寸能效级应
如：各种元素都具有自己特定的光谱线，如氢原子和钠 原子分立的光谱线。 ——作用: 原子光谱，可鉴别外来天体中的元素。 ——对于分子：分子轨道理论 共价键理论
拆开它们是需要能量的，高强度的电场和磁场都能使
之拆开而由超导态进入正常态。
二、磁通量子——磁力线的分布，用磁场作用于铁屑
可直接观察，即磁通量也是量子化的。
三、宏观量子现象
为了区别单个电子、质子、中子等微观粒子的微 观量子现象，把宏观领域出现的量子效应称为宏观量 子效应。
四、宏观量子隧道效应
➢微观粒子具有隧穿势垒的能力称为隧道效应。
3、表面能
铜微粒与表面能
粒径 1mol铜原子的 一个粒子的
/nm
微粒数
质量/g
表面积 /cm2
10
7.1×1018
9.07×10-18 4.2×107
表面能/J 5.8×106
100
7.1×1015
纳米材料与技术--纳米结构单元
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。
信息纳米技术及其应用CH1纳米结构单元(1)
CH1 纳米结构基本单元
1.1团簇（cluster）
• 原子团簇：几个至几百个原子的聚集体，粒径 ≤1nm
• 一元原子团簇：金属团簇、非金属团簇（富勒 烯Fullerene）(C60,C70)
2C(s)+SiO(g)→SiC(s)+ CO(g)
CNT自身的化学活性和几何形状对晶须的生长起决定
作用。
可编辑版
27
b. 氮化物：
氮化硅，对Si-SiO2 粉末加热 1673k，并通 N2 3SiO(g)+3C(CNT)+2N2(g) →Si3N4（纳米丝） +3CO(g) 2SiO(g)+C(CNT)+ N2 (g) →Si2N2O（纳米丝） +CO(g) 生成Si3N4和Si2N2O的混合物，直径约4-40nm，长几 um
催化剂颗粒 附着于 基体上， 高温下 通入含C 气体并 在催化 颗粒处 析出 CNT。
基体法制备CNT
可编辑版
16
激光蒸发法制备CNT
• 激光蒸发法：
激光刻蚀高温
炉中的石墨靶，
在Co-Ni催化剂
作用下形成
CNT，由流动
的Ar气将CNT
载入水冷收集
器。激光蒸发
法可制备出高
质量的单壁
CNT。
可编辑版
• 液N保护→电弧区生成 CNT →CNT沉积，特点： 结构简单；反应效率高； 产物质量好：4-8层CNT， 纯度高。
• 制备单壁CNT,使用催化 剂:Fe, Co, Ni等。
纳米结构单元-ok
小后出现明显的激子峰。 激子带的吸收系数随粒径的减 小而增加，即出现激子的增强 吸收并蓝移。
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
Nanocrystals
Individual confinement energies of the electron and hole is approximated by
Gap Energy of bulk material Energy of dielectric confinement Energy of quantum confinement
R: Radius; ε: Dielectric constant
复习：介电限域效应
介电限域是纳米微粒分散在异质介质中由于界面引起的体 系介电增强的现象，主要来源于微粒表面和内部局域场的
纳米结构单元组装成纳米结构材料物质的性质随尺寸的演变1厘米1微米100纳米10纳米1纳米01纳米块体铁材料银白色金属光泽导体铁磁性铁纳米相材料无金属光泽黑色矫顽力增大电阻增大铁磁性消失超顺磁性绝缘体fefefe分子分子块体微晶纳米粒子团簇1原子团簇cluster一原子团簇的概念1
纳米结构单元
纳米结构单元
AlAs GaAs
AlAs or AlxGa1-xAs
AlAs or AlxGa1-xAs
100 A
Electrons confined in this region
• Electrons are confined in a narrow region bounded by two walls. This is just like the problem of particle in a potential box (well) in quantum mechanics.
DNA纳米结构的设计和制备
DNA纳米结构的设计和制备第一章引言DNA是生物体内的重要物质之一，具有信息传递、遗传和结构支持等多种功能。
DNA纳米结构的设计和制备在纳米科技领域中占据着重要地位，因为它可以用于构建纳米器件、药物递送等方面，具有广泛的应用价值。
本文将从DNA纳米结构的组成和性质、设计原理、制备方法等方面进行综述，以便更好地了解和应用DNA纳米技术。
第二章DNA纳米结构的组成和性质2.1DNA的化学结构DNA分子由核苷酸单元组成，每个核苷酸单元包括一个磷酸基、一个五碳糖（脱氧核糖）和一个氮碱基。
氮碱基有四种类型：腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胸腺嘧啶（T）和胞嘧啶（C）。
在DNA分子中，氮碱基以A-T、C-G两种方式结合成对，通过氢键相互连接。
DNA的两条单链互相缠绕形成双螺旋结构，称为B型DNA。
2.2DNA的物理性质DNA的双螺旋结构使得它具有多种物理性质。
例如，DNA可以吸收紫外线，发生局部变形，从而改变紫外线吸收能力，这一性质可以用于研究DNA的含量和纯度。
此外，DNA在电场中可被拉伸，这是基于DNA的负电荷特性，因此电泳可用于分离DNA。
另外，DNA还可以通过伸长、压缩等方式改变空间构象，这对于DNA纳米技术的设计和制备有着重要意义。
第三章DNA纳米结构的设计原理3.1DNA纳米技术的基本原理DNA纳米技术是利用DNA分子的结构和性质进行纳米尺度的组装和构建。
基于氢键特性，可以通过设计核苷酸序列、对接方式等方式设计出具有自组装能力的DNA分子，从而形成各种形状和结构的DNA纳米结构。
3.2DNA纳米结构的设计步骤DNA纳米结构的设计步骤通常包括以下三个方面：（1）构建DNA序列：根据需要设计DNA序列，并使用聚合酶链式反应等技术合成DNA序列。
（2）设计DNA纳米结构：根据DNA序列中的信息设计DNA 纳米结构的拓扑结构、结构维度、对接方式等。
（3）组装DNA纳米结构：将设计好的DNA序列与构建的DNA结构互相配对，通过自组装的方式形成DNA纳米结构。
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