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第二章 纳米材料基本概念
※1. 基本概念
1.1 纳米材料
广义地讲，纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的具有特殊性能的材料。 纳米材料的分类
• 如果按维数，纳米材料可以分为以下三类：
• （1）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。 • （2）一维：指在空间中有二维尺度处于纳米尺度，如纳米丝、纳米棒、纳米管等。 • （3）二维：指在空间中有一维处于纳米尺度，如超薄膜等。 如果按形状，纳米材料可以分为
• 纳米颗粒和粉体、纳米管、纳米线、纳米带、纳米片、纳米薄膜、介孔材料 纳米棒、纳米丝与纳米线:
2. 纳米材料的基本单元
• 团簇(clusters)
• 纳米粒子（nanoparticle） • 一维纳米材料(1D)
• 量子阱、量子线、量子点 • 纳米孔洞 ※2.1 团簇(clusters)
团簇是各种物质由原子、分子向大块物质转变的过渡状态，或者说，团簇代表了凝聚态物质的初始状态，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。
团簇作为一类新的化学物种，直到20世纪80年代才被发现。
团簇是指几个至几百个原子的聚集体, 其粒径小于或等于1 nm，如Fen, CunSm , CnHm和碳族（C60，C70)等等。
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，使原子团簇与其他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）。
团簇的特点：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，所谓重构。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。
原子团簇不同于具有特定大小和形状的分子，不同于分子建议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。 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。
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。这与对称性和相互作用势密切相关。 团簇的性质及用途： 团簇的物理和化学性质随所含原子数目而变化，其许多性质即不同于单个原子、分子，也不同于大块固体（或液体），例如幻数和壳结构、量子尺寸效应、表面效应和库仑爆炸等。
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团簇在量子点激光、单电子晶体管、尤其作为构造结构单元研制新材料有广阔的应用前景。正像胚胎学以其特殊的方式说明生物学规律一样，团簇研究有助于我们认识凝聚物质的某些性质和规律。 2.2 纳米粒子
※纳米粒子（纳米颗粒、纳米微粒、超微粒子、纳米粉）：
一般指颗粒尺寸在1－100nm之间的粒状物质。它的尺度大于原子簇，小于通常的微粉。早期称作超微粒子。纳米颗粒是肉眼和一般的光学显微镜看不见的微小粒子。
名古屋大学的上田良二（R.Uyeda）给纳米颗粒的定义是：用电子显微镜才能看到的颗粒称为纳米颗粒。 纳米颗粒所含原子数范围在103－107个（1－100nm）。其比表面比块体材料大得多，加之所含原子数很少，通常具有量子效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应，因而展现出许多特异的性质。 ※2.3 一维纳米材料
（纳米管、纳米线（丝）、纳米棒）：
指在两维方向上为纳米尺度，长度比其它两维方向的尺度大得多，甚至为宏观量（如毫米、厘米级）的纳米材料。根据具体形状分为管、棒、线、丝等。通常纵横比小的称为纳米棒，纵横比大的称为纳米丝或纳米线。
※2.4 量子阱、量子线、量子点
若要严格定义量子点，则必须由量子力学(quantum mechanics)出发。我们知道电子具有粒子性与波动性，电子的物质波特性取决于其费米波长(Fermi wavelength).在一般块材中，电子的波长远小于块材尺寸，因此量子限域效应不显著。如果将某一个维度的尺寸缩到小於一个波长（如图一所示），此时电子只能在另外两个维度所构成的二维空间中自由运动，这样的系统我们称为量子阱(quantum well)；如果我们再将另一个维度的尺寸缩到小於一个波长，则电子只能在一维方向上运动，我们称为量子线(quantum wire)；当三个维度的尺寸都缩小到一个波长以下时，就成为量子点了。
由此可知，并非小到100nm以下的材料就是量子点，真正的关键尺寸是由电子在材料内的费米波长来决定。一般而言，电子费米波长在半导体内较在金属内长得多，例如在半导体材料砷化鎵GaAs(100)中，费米波长约40nm，在铝金属中却只有0.36nm。
量子阱---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(λd=h/(2mE)1/2)或电子的平均自由程(L2DEG=hμ/q·(2πns)1/2)相比拟或更小。有时也称为二维超晶格。
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。也叫一维量子线。 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。
※人造原子（Artificial Atom）：通常是指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“原子集合体”，尺寸一般小于100nm。
人造原子是20世纪90年代提出来的一个新概念，美国加州大学物理系的McEuen把人造原子的内涵扩大为：准零维的量子点、准一维的量子线和准二维的量子圆盘，甚至把100纳米左右的量子器件也看成人造原子。
在人造原子中电子波函数的相干长度与人造原子的尺度相当时，电子不再可能被看成是在外场中运动的经典粒子。电子的波动性在输运中得到充分发挥，这将导致普适电导涨落、非局域电导等。
因此，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新一代纳电子器件奠定理论基础。
※人造原子与真正原子的相同之处：1）由离散的能级，电荷不连续；2）电子填充规律也与原子相似，服从洪特规则。
※人造原子与真正原子的不同之处：1）形状和对称性多种多样；2)电子间强交互作用比实际原子复杂的多；3）实际原子中电子受原子核吸引作轨道运动，而人造原子中电子是处于抛物线形得势阱中，具有向势阱底部下落的趋势。由于库仑排斥作用，部分电子处于势阱上部，弱的束缚使他们具有自由电子的特征。人造原子的另一个重要特点是放入一个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。
本文来源：https://www.wddqxz.cn/f57e511e6bd97f192279e979.html
2022-12-30
