第章纳米结构单元概述.ppt

构成纳米结构块体、薄膜、多层膜以及纳米结构的基本单元有下述几种：

零维：团簇、人造原子、纳米微粒
一维：纳米线、纳米管、纳米棒、纳米纤维
二维：纳米带、超薄膜、多层膜
体系至少有一维尺寸在纳米数量级

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。量子阱：是指载流子在两个方向（如在X,Y平面内）上可以自由运动，而在另外一个方向（Z）则受到约束，即材料在这个方向上的特征尺寸与电子的德布罗意波长或电子的平均自由程相比拟或更小。有时也称为二维超晶格。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。2.1原子团簇(cluster)
一、原子团簇的概念
1.定义：
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，其物理和化学性质随着所含的原子数目不同而变化。

团簇可以看成是介于原子分子与宏观物质之间的物
质结构的新层次，是各种物质由原子分子向大块物
质转变的过渡状态；代表着凝聚态物质的初始状
态，有人称之为“物质的第五种状态2.团簇的分类：

根据团簇的组成可以分为：

(1)一元团簇，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，是团簇与其它分子以配位键结合形成的化合物(例如，某些含Fe-S团簇的蛋白质分子)。原子团簇不同于具有特定大小和形状的分子，也不同于分子间以弱的相互作用结合而成的聚集体以及周期性很强的晶体。

其形状可以是多种多样的，已知的有球状、骨架状、洋葱状、管状、层状、线状等。除惰性气体外，均是以化学键紧密结合的聚集体。二、团簇的基本研究问题

1.揭示团簇产生机理。

即团簇如何由原子分子逐步发展而成，以及团簇
的结构和性质变化规律。

其中包括团簇发展成宏观固体的临界尺寸与过程
变化规律。团簇往往产生于非平衡条件，很难在平衡的气相中产生。
当团簇尺寸小时，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
子平衡位置不同)外，增加原子不再发生重构，其性质
也不会发生显著改变，对应的团簇尺寸就是临界尺寸。
2.固体的电子能带结构的形成和发展

如图为硅电子能级随着团簇尺寸的变化特征，
即由分立能级结合成能带，以及何处会在满带和未满带之间出现能隙。

此外，研究多少个金属原子构成的团簇具有金属性质，也是电子能带结构的重要研究内容。三、团簇的结构与性质
1.稳定结构与幻数

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称
为团簇的幻数(MagicNumber)。团簇的幻数这种特征，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(shellstructure)。

幻数稳定团簇(magiccluster)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。

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。
团簇的幻数序列与构成团簇的原子键合方式有关：

金属键来源于自由价电子，
半导体键是取向共价键，
碱金属卤化物为离子键，

惰性元素原子间的作用为范德瓦尔斯键。2.原子团簇的奇异的特性：

1）极大的比表面积。
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。2.2纳米微粒(nanoparticle)纳米微粒、微米颗粒与原子团簇的区别

不仅仅反应在尺寸方面，更重要的是在物理与化
学性质方面的显著差异。

一般微米颗粒不具有量子效应，而纳米颗粒具有量子效应；
团簇具有量子尺寸效应和幻数效应；
而纳米颗粒不具有幻数效应。
这是导致三者特性差别的物理根源。
2.3人造原子(artificialatoms)

所谓人造原子是由一定数量的实际原子组成的具有显著量子力学特征的人造聚集体，它们的尺寸小于100nm。是20世纪90年代提出来的一个新概念。

由于量子局限效应会导致类似原子的不连续电子能级结构，因此“人造原子”有时称为“量子点”。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，电子都是以轨道的形式运动。

其次，电子填充的规律也与真正原子相似，服从洪特定则。人造原子与真正原子的不