第三章 零维纳米材料.ppt

本章内容 1、零维纳米材料 零维纳米材料是指在三个维数上都进入了纳米尺度的范围的材料 零维纳米材料主要包括： 1、团簇(clusters) 2、纳米微粒（nanoparticle） 原子团簇 原子团簇 原子团簇的独特性质： 1）具有硕大的比表面积而呈现出表面或界面效应； 2）幻数效应； 形状和对称性多种多样 3）“库伦爆炸” 是自然界中的一种与电荷相关的基本相互作用之一。例如当一个金属球充电以后，电荷与电荷之间的相互排斥作用会导致系统的能量升高。当电荷量超过了临界值（瑞利不稳定极限）时，金属球会发生爆炸而分裂成几个小球，并以此来降低系统的库仑排斥能。 4）原子团逸出功的振荡行为等。 原子团簇 原子团簇 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 C60固体成为超导体 Hebard等首先发现了临界温度（ Tc）为18K的K3C60超导体 随后改变掺杂元素， 获得了Tc更高的超导体。因此C60的研究热潮立即应运而来 纳米微粒（nanoparticle） 2、零维纳米材料的制备技术 制备方法评述 纳米粉末又称为超微粉或超细粉，一般指粒度在100纳米以下的粉末或颗粒，是一种介于原子、分于与宏观物体之间处于中间物态的固体颗粒材料 自从1984年德国科学家Gleiter等人首次用惰性气体凝聚法成功地制得铁纳米微粒以来，纳米材料的制备、性能和应用等各方面的研究取得了重大进展 其中纳米材料合成方法的研究是十分重要的研究领域 纳米材料的研究现已从最初的单相金属发展到了合金、化合物、金属-无机载体、金属-有机载体和化合物-无机载体、化合物-有机载体等复合材料以及纳米管、纳米纤维(丝或棒)等一维材料 合成方法日新月异 纳米粒子的合成目前已发展了多种方法，制备的关键是控制颗粒的大小和获得较窄的粒径分布，有些需要控制产物的晶相，所需的设备尽可能简单易行 制备方法分类 制备方法 气相法制备 气相法合成纳米颗粒的思路： 直接利用气体，或通过各种手段将物质变成气体，使之在气体状态下发生物理变化或化学反应，最后在冷却中凝聚、长大，形成纳米颗粒 气相法中物质经历相变化，而相变中能量变化是主要决定因素 气相成核理论 纳米微粒的形成源自一个生长核心，其形成分为两种机制： （1）异相成核：以进入蒸气中的外来离子、粒子等杂质或固体表面上的台阶等缺陷作为核心，进行微粒的成核和长大 （2）均相成核：无外来杂质和缺陷的参与，过饱和蒸气中的原子相互碰撞而失去动能，聚集形成核心，当核心半径大于临界半径rc时，可不断吸收撞击到表面的其他原子、继续长大、最终形成微粒 物理气相沉积生长 物理气相沉积（physical vapor depositon-PVD）是指在凝聚、沉积的过程中，最后得到的材料组分与蒸发源或溅射靶的材料组分一致，在气相中不发生化学反应，只是物质转移和形态改变的过程 PVD过程中气相的产生主要包括蒸发和溅射两种方法 蒸发源类型 三种典型的蒸发源： 克努森（Knudsen）盒型 自由发挥性 坩埚型 溅射法 基本概念： 溅射法是指在真空室中，利用荷能粒子轰击靶材表面，使被轰击出的粒子与惰性气体分子碰撞、冷却而凝结，或与活性气体反应而形成纳米微粒。 发展历史： 溅射现象早在19世纪就被发现，历史悠久。 50年前有人利用溅射现象在实验室中制成薄膜。 60年代制成集成电路的钽(Ta)膜，开始了它在工业上的应用。 1965年，IBM公司研究出射频溅射法，使绝缘体的溅射制膜成为可能 溅射法原理 溅射原理： 入射离子的能量在l00eV～l0000eV范围时，离子会从固体表面进入固体的内部，与构成固体的原子和电子发生碰撞 碰撞的结果会使原子脱离其原来位置，成为反冲原子 如果反冲原子的一部分到达固体的表面，且具有足够的能量，那么这部分反冲原子就会克服逸出功而飞离固体表面，这种现象即离子溅射 溅射沉积 依据荷能粒子产生方法的不同，溅射沉积分成2类： 1、真空溅射 在真空室中，利用低压气体放电、利用处于等离子状态下的离子轰击靶表面，溅射出粒子并堆积在基片上 2、离子束溅射 也是在真空室中，利用离子束轰击靶表面，溅射出的离子在基片表面成膜 离子束要由特制得离子源产生，其结