第五章团簇及纳米材料.pptVIP

5.1 原子团簇 5.1.1 原子团簇的种类 5.1.2 原子团簇的结构与性质 5.1.3 原子团簇的制备方法 5.1.4 原子团簇的研究意义及用途 5.1.5 C60及其有关结构 当前第1页\共有36页\编于星期三\9点 纳米材料: 由纳米尺寸的微粒组成的材料叫做纳米材料。广义的纳米材料是指微结构的特征长度在纳米量级的材料，如由一维、二维或零维材料组成的块体材料，这类材料又叫做纳米结构材料或纳米相材料。 不同维数纳米材料的结构示意图 5.1.1 原子团簇的种类 当前第2页\共有36页\编于星期三\9点 原子团簇: 由几个至上千个原子、分子结合成相对稳定的微观和亚微观聚集体叫做团簇。它是介于原子、分子和宏观固体之间的一个新层次，是凝聚态物质中的一种新结构。 当前第3页\共有36页\编于星期三\9点 原子团簇的种类 一元原子团簇 金属团簇，如Nan, Nin等 非金属团簇 碳簇，如C60, C70 非碳簇，如B, P, S, Si簇 二元原子团簇：如InnPm, AgnSm等 多元原子团簇：Vn(C6H6)m等 一、从原子种类数目分 当前第4页\共有36页\编于星期三\9点 当前第5页\共有36页\编于星期三\9点 二、从结合方式分 范德华力：He、Ne、Ar、Ke、Xe 离子键：LiF NaCl CuBr CsI 化学键：C60、金属原子团簇 当前第6页\共有36页\编于星期三\9点 5.1.2 原子团簇的结构与性质 一 原子团簇结构 1 绝大多数原子团簇的结构不确定 形状可以有线状、层状、管状、洋葱状、骨架状、球状等，当团簇尺寸很小时，增加原子，会发生结构上的变化，即重构。当团簇尺寸达到某个临界值时，增加原子，结构不再发生重构。 原子数 形状 当前第7页\共有36页\编于星期三\9点 2 少数团簇存在稳定结构 惰性元素：Xe团簇，n=7, 13, 19, 55 碳团簇： Cn , n=20, 24, 28, 32, 36, 50, 60, 70…. [Li(LiF)n]+, n=13, 14 碱金属卤化物团簇： 团簇是由原子数逐步增加而发展起来的，但也存在幻数（频率出现特别高的原子数目叫做幻数，结构稳定），不同物质具有不同的幻数值和结构。 当前第8页\共有36页\编于星期三\9点 C60固体的质谱 Xe团簇的质谱 在团簇质谱分析中，含有某些特殊原子数的团簇的强度呈现峰值，表明这些团簇特别稳定，所含原子数即为幻数。 当前第9页\共有36页\编于星期三\9点 3 含特定原子数金属团簇具有能量最低的稳定结构 团簇Nan和Na+的稳定结构 当前第10页\共有36页\编于星期三\9点 C60的结构 C50Cl10的结构 当前第11页\共有36页\编于星期三\9点 Au20的结构 Au32的结构 当前第12页\共有36页\编于星期三\9点 尺 寸：空间尺度为几个埃到几百埃的范围。 存在形式：不同于单个原子、分子，也不同于固体液 体，介于两者之间。 产生条件：作为原子聚集体，往往产生于非平衡条件。 原子团簇的特点 当前第13页\共有36页\编于星期三\9点 1 同位数效应 如 Cu团簇： Cu团簇的原子数具有奇偶性质，具有奇数原子的团簇具有较大的产额 二 原子团簇的性质 团簇的结构、性能与团簇的大小密切相关，与块体材料结构上的明显差异，使团簇具有不同于常规材料的物理化学性质， 当前第14页\共有36页\编于星期三\9点 材料的电子能谱与该体系的原子数目有关，大块材料的电子能谱是连续的能带。对于团簇，当尺寸小到一定程度后，电子能带变成分离的能级，能隙变宽，能级的平均间距与团簇的自由电子数即团簇的原子数成反比。分离能级间的跃迁，使团簇呈现量子尺寸效应。 2 量子尺寸效应 相邻电子能级间距d 与颗粒尺寸之间的关系： N：微粒中的总导电电子数；EF：费米能级 当前第15页\共有36页\编于星期三\9点 在临界尺寸以下，团簇电子最低允许跃迁能量较大，大于临界尺寸后，跃迁能逐渐接近大块材料 当前第16页\共有36页\编于星期三\9点 3 表面效应 团簇原子分为两类：表面原子和内部原子 团簇的比表面积特别大，表面原子占原子总数的70－90％， 且随团簇尺寸的减小，表面原子数增多、原子配位不足及高的表面能，使表面原子具有高活性，极不稳定，容易与其它原子 结合。 表面原子数占全部原子数的比例和粒径之间的关系 当前第17页\共有36页\编于星期三\9点 4 小尺寸效应 当微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长、超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性边界条