第三章 零维纳米材料
原子团簇
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第三章 零维纳米材料
原子团簇
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第三章 零维纳米材料
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
纳米材料学基础 本章内容
（第三章）
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零维纳米材料
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零维纳米材料的制备技术
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零维纳米材料的物理化学性质
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第三章 零维纳米材料
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）
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这些原子、离子或分子与金属熔体对流与扩散 使金属蒸发。
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第三章 零维纳米材料
物理制备方法
物理气相沉积 (PVD)

单源单层蒸发 真空蒸发 单源多层蒸发
多源反应共蒸发
溅射沉积
直流溅射 真空溅射 射频溅射
磁控溅射
离子束溅射
单离子束(反应)溅射 双离子束(反应)溅射 多离子束反应共溅射
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第三章 零维纳米材料
真空蒸发沉积
蒸发： 在高真空中用加热蒸发的方法使源物质转化
第三章 零维纳米材料
原子团簇
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。
从结构上，既不同于分子，也不同于块体。 在性质上，既不同于单个原子和分子，又不同于
为气相
在蒸法沉积中，有3种加热方式： （1） 电阻加热 （2）高频感应加热（RF） （3）等离子体加热 （4）电子束加热
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第三章 零维纳米材料
（3） 等离子体加热法
原理：
温度高,达2000K以上，包含大量的高活性原子、 离子。
等离子体粒子流高速作用到原料表面，可使原 料迅速熔融，并大量迅速地溶解于原料熔体中
近十几年来，各种高科技手段应用于 纳米粒子的制备研究：激光技术、等 离子体技术、电子束技术和粒子束技 术等等
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第三章 零维纳米材料
制备方法分类
气相法 物理气相沉积（PVD）
化学气相沉积（CVD）
制备方法 液相法 固相法
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第三章 零维纳米材料
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
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第三章 零维纳米材料
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
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第三章 零维纳米材料
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第三章 零维纳米材料
纳米晶
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第三章 零维纳米材料
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第三章 零维纳米材料
SiO2胶体微球
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PS胶体微球
第三章 零维纳米材料
制备方法评述
2、零维纳米材料的制备技术
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
固体和液体，而是介于气态和固态之间的物质结 构的新形态，常被称作“物质第五态”
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第三章 零维纳米材料
原子团簇
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第三章 零维纳米材料
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。
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
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第三章 零维纳米材料
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
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第三章 零维纳米材料
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
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第三章 零维纳米材料
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
4）原子团逸出功的振荡行为等。
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第三章 零维纳米材料
纳米碳球
主要代表就是C60，亦称作富勒碳
60个C原子组成的封闭的球形， 32面体，20个六边形和12个五边 形构成一个完成富勒碳。
其结构与常规的碳的同素异性体 金钢石和石墨完全不同，物化性 质非常奇特，如电学、光学和超 导特性。
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原子团簇
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第三章 零维纳米材料
纳米颗粒
纳米颗粒（也称作纳米微粒、超微粒子或纳米粉）
颗粒尺度为纳米量级的超微颗粒，尺度大于原子团簇， 一般在100nm以内。
纳米颗粒是肉眼和一般光学显微镜看不见的微小粒子。 通常纳米颗粒小于红血球的千分之一、是细菌的几十分之 一，与病毒大小相当。
日本上田良二教授：用电子显微镜（TEM）能看到的 微粒称为纳米颗粒
合成方法日新月异
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第三章 零维纳米材料
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
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第三章 零维纳米材料
2.1 制备方法评述
制备方法的分类：
物理方法：由大到小的方法
化学方法：由小到大的方法