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1、第二章 原子团簇,2.1 原子团簇的种类 2.2 原子团簇的制备方法 2.3 原子团簇的结构与性质 2.4 原子团簇的研究意义及用途 2.5 C60的制备、性能及应用,2.1 原子团簇的种类,原子团簇: 几个至几百个原子的聚集体（粒径1nm），简称团簇(cluster),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,种类,从原子种类数目分,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
2、：C60、金属原子团簇,2.1 原子团簇的种类,2.2 原子团簇的制备方法,真空合成法,用几至几十keV载能粒子轰击固体表面，使固体表面溅射出各种次级粒子电子、离子、原子和团簇等,溅射产生团簇的原理,FAB/SIMS法的实验系统,2. 气相合成法,（1）蒸发和气体冷凝法,将物质元素或化合物放在低压的惰性气体腔室的蒸发皿中，高温加热至气化，与惰性原子或分子碰撞，迅速冷却，形成原子团簇。,气体冷凝法形成团簇示意图,2.2 原子团簇的制备方法,(2) 激光蒸发和激光热解,获得难熔物质的团簇，利用光学系统把激光聚焦到很小的区域。,激光蒸发原理示意图,气相合成法,(3) 超声膨胀,用于制备范德瓦尔斯团簇
3、，特别是惰性气体团簇。使处在高压的纯净气体经过一个小孔，向真空膨胀,绝热膨胀原理示意图,气相合成法,2.3 原子团簇的结构与性质,原子团簇结构,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，团簇中每增加一个原子，团簇结构就要发生改变,原子团簇的结构,少数团簇存在稳定结构与幻数,惰性元素：Xe团簇，n=7, 13, 19, 55,Li7(7)Li7(6)F14+,C60固体的质谱,Xe团簇的质谱,碳团簇：n=20, 24, 28, 32, 36, 50, 60, 70,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
4、为幻数。,微晶型：Li(LiF)n+, 分子络合型：(LiF)n n=13, 14,碱金属卤化物团簇：,Li7(7)Li6(6)F14+,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,原子团簇的结构,同位数效应,Cu团簇：Cu63 100%, Cu65 41.66%,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,量子尺寸效应,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,原子团簇的性质,磁性,平均有效磁矩随团簇尺寸增大而增加，铁磁性物质的团簇具有超顺磁驰豫,光学性质,纳米级的铁原子团簇对红外辐射具有较好的吸收
5、特性,原子团簇的性质,2.4 原子团簇的研究意义及用途,模拟研究自然界的需要,为新材料的制备开辟了新的途径,宇宙分子和尘埃,大气烟雾和溶胶,云层形成和发展,天体演化,大气污染控制,气候人工调节,利用团簇红外吸收系数、电导特性和磁化率的异常变化，某些团簇超导临界温度的提高，用于制备新型敏感元件、贮氢材料、磁性液体、微波及红外吸收材料、超导材料等。,为量子和经典理论研究提供合适的体系,2.5 C60的制备、性能及应用,C60的结构特征,除金钢石、石墨外的碳的第3种同素异构体，是当前能大量制备及分离的团簇 1985年Kroto激光汽化石墨实验中发现 又名富勒烯(fullerenes)、足球烯、布基球
6、(Buckyballs)、碳笼烯 二十个六面体、十二个五面体,C60的制备,激光蒸发法,苯燃烧法,含氩气的氧气中燃烧苯(或乙炔),化学合成法,稠环化合物(萘、蒽、菲),真空 低温,等离子体化学气相沉积于以(100)晶面的硅单晶衬底,聚合物薄膜中含C60,1kg苯,3g(C60+C70),低压燃烧器,电弧法,1990年，Kratschmer等人，首次能大规模生产C60,直流电弧放电 RF(交流)等离子溅射加热石墨 在Ar气中的炭黑悬浮粒子通过等离子加热 CS2通过等离子加热,C60的制备,C60的性质,化学性质,C60具有缺电子的性质，六元环间的双键(30个)为反应的活性部位，因而可发生氢化、卤
7、化、氧化还原、环加成、光化与催化及自由基加成等多种化学反应。,氢化反应,C60Li+液氨正丁醇,Birch反应,C60H18+C60H36,(甲苯DDQ)中回流,DDQ：二氯二氰对苯醌,氟化,C60,C60F6、C60F42、C60F60(特氟隆球) 高温润滑剂,表面可进行化学修饰,有机基团接枝 金属键合作催化剂,笼内可装填原子分子,金属离子可装入C60笼中,K、Na、Cs(铯)、La、Ca、Ba、Sr(锶),C60的性质,C60的物理性质,C60团簇固体是一种依靠范德华力的结晶体(fcc结构) C60是一个半导体，0K时不导电，掺K、Rb(铷)、Cs后变为半导体 A3C60，在低温时具有超导
8、性 光电子转移特性，光激发后容易形成电子空穴对,C60的性质,C60的应用,光学材料：非线性C60薄膜（二阶非线性光学效应);光电导材料，在计算机、光记忆、光信号处理及控制等方面应用 半导体材料：类似于非晶硅-新型半导体材料 气体分离材料：利用C60分离空气中的氧气、氮气 超导体：C60掺KK3C60 磁性材料(软磁性)：C60C2N4(CH3)80.86有机软磁材料；C60笼内掺入Ne、He、LiF、LiCl、NaF、NaCl等 新型催化剂：C60Pdn可作二苯乙炔氢化的催化剂 生物活性材料：水溶性二氨基二酸二苯基C60衍生物艾滋病病毒抑制剂 功能高分子复合材料：与高分子复合制备新型功能高分子材料,
