单壁碳纳米管: • 根据螺旋角 θ 的不同存在三种类型的结构： • 分别称为单臂碳纳米管armchair、锯齿形 碳纳米管 zigzag 和手性形碳纳米管 chiral 。
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。
4）巴基葱
1992年瑞士联邦大学的D.Vgarte等人用高强度电子束对碳棒长 时间照射，得到洋葱状富勒烯，称为巴基葱(bucky-onion)，中 心是C60分子，其外围由具有240－540和960个原子的富勒烯原 子层封闭叠套起来，形成一层套一层的洋葱状结构。巴基葱的 层面有的可多达70多层(图)。层间距约0.334 nm，直径可达 47nm。
• 根据具体形状可以分为：纳米棒、纳米管、纳米 线、纳米带、纳米螺旋、同轴纳米电缆等。
• 纳米棒：纵横比 ( 长度与直径的比率 ) 小，截面 为圆形。一般小于20。 • 纳米线：纵横比大，截面为圆形。 • 纳米带其截面为长方形。
• 同轴纳米电缆： 芯部为半导体或导体的纳米线，外包异质纳米壳 体（半导体或导体），外部的壳体和芯部线是同
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。
碳纳米管的结构
高分辫透射电镜证明： 多壁碳纳米管一般由几个到几十个单壁碳纳米管同 轴构成，可以有直形、弯形、螺旋等不同外形。 管间距为0.34nm左右，相当于石墨的[0002]面间距。 直径为零点几纳米至几十纳米，长度一般为几十 纳米至微米级。 每个单壁管侧面由碳原子六边形组成，两端由碳原 子的五边形参与封顶。 实际制得的多壁纳米碳管经常会出现缺陷；单壁碳
除C60之外，富勒烯家族还有C70, C76, C84, C90, C94等。 • 1998 年， Zettl 等人制备出了 C36 固体，并发现具有与 C60不同的性质， • 如C60溶于甲苯，而C36不溶； • C60膜柔软，而C36坚硬等。 • 小于C60的富勒烯现在发现仅有两种结构稳定：C36和 C20。 • 其中，C36直径为0.5 nm；C20直径为0.4 nm。 • C36笼结构不是球状，而是纺锤形。 • C (正十二面体)，它由十二个五边形组成
2.2 纳米微粒(nano particle)
纳米微粒：颗粒尺寸为纳米量级的超微颗粒,它的尺寸 大于原子簇(cluster),小于通常的微粉。在固体物理和分子 化学中，常将含有几个到几百个原子或尺度小于1nm 的粒子 称为“簇”，它是介于单个原子和固态之间的原子集合体。 纳米微粒一般在1~100nm之间。
2.6 明星纳米材料—碳纳米管(carbon nanotube)
• 碳纳米管(Carbon Nanotube，NT) 即管状的纳米级石 墨晶体，是单层或多层石墨片围绕中心轴按一定的 螺旋角卷曲而成的无缝纳米管。 • 根据制备方法和条件的不同，碳纳米管可以存在多 壁碳纳米管(Mult-Walled Carbon Nanotube, MWNTs) 和 单 壁 碳 纳 米 管 (Single-walled Carbon Nanotubes, SWNTS)两种形式。
• 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。
2.5 、纳米明星结构单元 --C60 及富勒烯（ fullerenes ） 众所周知，碳晶体有两种同素异构体： 一种是金刚石SP3；一种是石墨 SP2
C60的发现大大丰富了人们对碳的认识，由C60紧 密堆垛组成了第三代碳晶体。
• 克罗托、斯莫利和科尔用硬纸板剪成许多五边形 和六边形，终于用 12 个五边形、 20 个六边形组成 了一个中空的 32 面体，五边形互不邻接，而是与 五个六边形相接，每个六边形又与 3 个六边形和 3 个五边形间隔相接，共有 60 个顶角，碳原子位于 顶角上，是一个完美对称的分子（图）。
• 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。
量子阱
2－ D
AlAs GaAs
AlAs or AlxGa1-xAs
AlAs or AlxGa1-xAs
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同之处： 1）人造原子含有一定数量的真正原子； 2）形状和对称性多种多样(形貌)，真正原子可用 球形或立方形描述。 3）电子间强交互作用比实际原子复杂得多(多电 子交互作用)。随着原子数目增加，电子轨道间 距减小，强库仑排斥、系统限域效应和泡利不相
• 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(shell structure)。
• 幻数稳定团簇 (magic cluster) 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。
4）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的 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，弱的束缚使它们具有自由电子的特征。
2.4 纳米棒、纳米带和纳米线
• 准一维纳米材料是指在两维方向上为纳米尺度， 长度比上述两维方向上的尺度大很多，甚至为宏 观量(如毫米级、厘米级等)的纳米材料。
富勒烯的结构和特性
A 、六元环的每个碳原子均以双键与其他碳原子 结合，形成类似苯环的结构，它的 σ 键不同于 石墨中 sp2 杂化轨道形成的 σ 键，也不同于金刚 石中 sp3 杂化轨道形成的 σ 键，是以 sp2.28 杂化轨 道(s成分为30％，p成分为70％)形成的σ键。单 键键长为0.145 nm。苯环单键0.14 nm. B、 C60的 л键垂直于球面，含有 10％的 s成分， 90
C 、 C60 中两个 σ 键间的夹角为 106o， σ 键和 л 键的 夹角为101.64o。 苯环 120o
D、由于 C60 的共轭 π键是非平面的，环电流较小， 芳香性也较差，但显示不饱和双键的性质，易 于发生加成、氧化等反应，现已合成了大量的 C60衍生物。
富勒烯的其他种类
1）笼内掺杂 —— 金属富勒烯 2）金属－碳原子团簇 3）不含碳富勒烯
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。
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
145个原子组成的1.9 nm 的半导体 纳米颗粒
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。
2.3 人造原子(artificial atoms) • 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 100 nm。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”。
100 A
Electrons confined in this region

Electrons are confined in a narrow region bounded by two walls. This is just like the problem of particle in a potential box (well) in quantum mechanics.
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. 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 子平衡位臵不同)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。