奈米材料特性及应用.ppt

奈米材料特性與原理 自然界早就存在的奈米結構 奈米材料(nanomaterial) 所謂奈米材料(nanomaterial) ，廣義的定義是指三個維度(dimension)之中至少有一個維度其晶粒尺度屬於奈米級(nanoscale)，且具有新穎實用價值性能的材料。 碳六十富勒烯(fullerene)的鍵結 C60富勒烯是一封閉籠狀的截形二十面體(truncated icosahedron)對稱性分子，具有十二個正五邊形碳環和二十個正六邊形碳環。 C60分子上的每一個碳位置與其他位置是等效的。 從每個碳原子接出來的三個鍵不是等效的。 沿著正五邊形碳環的碳原子，其間是單鍵結合，而沿著兩個正六邊形碳環共同邊的碳原子是雙鍵結合。 碳六十富勒烯與石墨 C60分子中，其最鄰接之碳與碳間的平均距離只有0.144nm，幾乎與石墨層片中鄰接之碳與碳間的平均距離0.142nm完全相同。 可以把C60分子視為是石墨片捲成的封閉球殼。 C60分子的直徑是0.71nm 。 C60富勒烯晶體 對於C60分子，特稱之為“巴克敏斯特富勒烯(buckminsterfullerene)”，或是簡稱“巴克球(buckyball)”。 C60富勒烯的晶體形式是面心立方晶格 (FCC；Face Centered Cubic lattice)，每個立方晶格的八個頂角上及六個面的正中央都有一個C60分子，所以預計C60分子組成的固體是范德瓦爾(van der Waals)鍵結而成的晶體。 尤拉定理(Eulers theorem) 由正六邊形碳環與正五邊形碳環所組成的封閉籠狀表面具有確定的十二個正五邊形碳環和任意個數的六邊形碳環。 隔離的碳環五邊形規則 隔離的碳環五邊形規則(isolated carbon-ring pentagon rule)即五邊形平均分佈而且互不相鄰接。這也就是一般富勒烯的正五邊形碳環都是互相隔離的道理。 C20富勒烯 根據尤拉定理(Euler‘s theorem) ，最小可能存在的富勒烯是C20分子， C20富勒烯是一個具有十二個碳環正五邊形面的規則十二面體(dodecahedron) 。 C20富勒烯的結構具高局部曲率與高應變，這將是高能而不利於其符合隔離的碳環五邊形規則(isolated carbon-ring pentagon rule)。 C20富勒烯分子只有五邊形，沒有六邊形，顯然違背了此隔離的碳環五邊形規則，這也就是為什麼C20富勒烯籠狀異形體分子只能在氣相下才容易存在的原因。 富勒烯之原子數與結構尺度 由於每加入一個碳環六邊形的邊就會增加兩個碳原子，故所有富勒烯都應該具有偶數個碳原子，這與質譜分析結果一致。 碳原子數少於一千個的富勒烯分子，估計其分子直徑是不會超過3nm，所以都是奈米結構(nanostructure)。 腔內金屬嵌入富勒烯的結構與特性 將一種、兩種、或三種金屬離子嵌入富勒烯空腔結構內就是所謂的腔內金屬嵌入富勒烯(endofullerene)。 對La@C82的研究，確定這種材料具有較高的穩定度。 富勒烯與超導體 將鹼金屬元素(M)嵌入C60分子形成M3C60會大幅地改變宿主富勒烯(host fullerene)的電特性，並得到一較高之超導臨界溫度Tc (critical 或transition temperature)。 譬如： K3C60的臨界溫度Tc~19K ；Cs3C60在12kbar的壓力下臨界溫度Tc~40K 。 金屬被覆富勒烯的結構尺度與性質 金屬被覆富勒烯都是奈米微粒(nano-particle)，既可以是孤立且秩序井然的原子團( atomic cluster)，也可以成為有序的原子團簇(atomic array of cluster)。 目前對金屬被覆富勒烯的物理性質所知不多。 富勒烯的合成 步驟1. 在電極接觸點產生熱使碳蒸發形成煤灰和富勒烯，再藉由反應腔的水冷壁冷凝之。 步驟2. 以甲苯之類的物質當做色層分析柱的溶劑，利用液體色層分析法(liquid chromato-graphy)根據其質量將富勒烯自煤灰中分離出來。 步驟3. 用萃取和純化的過程獲得特定的富勒烯粉末樣品。 富勒烯粉末單晶體和薄膜的製備 C60富勒烯粉末是利用真空蒸發的方法將溶劑自溶液中蒸發掉而製備出來的。 單晶體和多晶薄膜是利用真空蒸發從純化的C60富勒烯粉末製備出來的。溶液成長法獲得的富勒烯單晶體化學純度較真空蒸發法低。 富勒烯薄膜的製備方法，是先選擇好基板，再利用真空昇華法將富勒烯逸著於基板上完成的。 奈米碳管的發現 1991年，日本築波「日本電氣株式會社(NEC Corporation)」公司的飯島澄男(Iijima S)等人進行石墨電極直流電弧放電以合成碳微粒，在利