Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

книги / Нанотехнология

..pdf

Скачиваний:

Добавлен:

19.11.2023

Размер:

33.02 Mб

Скачать

☆

1 / 601 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 > Следующая >>>

Серия «Синергетика: от прошлого к будущему»

И. П. Суздалев

НАНО ТЕХНО ЛО ГИЯ

Физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов

МОСКВА

URSS

ББК 22.344 22.37 24.5 30.13 32.85

#	И	Настоящее издание осуществлено при финансовой
		поддержке Российского фонда фундаментальных
		исследований (проект N9 05-0346000)

Редакционная коллегия серии «Синергетика: от прошлого к будущему»:

Г. Г. Мситнецкий (председатель), Р. Г. Баранцев, А. В. Гусев, А. С.Дмитриев,

В.П.Дымников, С. А. Кащенко, И. В. Кузнецов, А. Ю. Лоскутов,

И.Г. Поспелов, Ю.Д. Третьяков, Д. И. Трубецков, Д. С. Чернавский

Суздалев Игорь Петрович

Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и наномате риалов. — М.: КомКнига, 2006. — 592 с. (Синергетика: от прошлого к будущему.)

ISBN 5-484-00243-5

Книга освещает круг вопросов, которые могут составить область науки о нанообъ ектах, процессах и явлениях, проходящих на уровне размеров 1-100 нм. В этой области наблюдаются эффекты, чувствительные как к отдельным атомно-молекулярным уровням энергии, так и к коллективным свойствам тел. Развитие науки о нанокластерах и наноси стемах и методов их исследования привело к созданию нанотехнологии, наноматериалов и наноустройств, отличающихся уникальными свойствами и перспективами применения. Книга представляет собой попытку соединения теоретических и экспериментальных дан ных о нанокластерах и наносистемах с некоторыми вопросами более общего, вводного характера: методами исследования нанокластеров и поверхности твердого тела и микроско пическими и термодинамическими подходами к изучению нанокластеров и поверхности. Такая структура книги нашла свое отражение благодаря работам автора в Институте хими ческой физики им. Н. Н. Семенова РАН и чтению курса лекций по физико-химии нанокла стеров и наноструктур в Московском государственном университете им. М. И. Ломоносова, на факультете наук о материалах.

Книга может быть полезной как для студентов и аспирантов, так и для научных работников, ведущих исследования или начинающих работать в области нанотехнологий.

Издательство «КомКнига». 117312, г. Москва, пр-т 60-летия Октября, 9. Подписано к печати 1.11.2005 г. Формат 60x90/16. Печ. л. 37. Зак. № 4195

Отпечатано с готовых диапозитивов в П Ф «Полиграфист». 160001, г. Вологда, ул. Челюскинцев, 3.

ISBN 5-484-00243-5	© И. П. Суздалев, 2005
	© КомКнига, 2005
НАУЧНАЯ И УЧЕБНАЯ ЛИТЕРАТУРА

E-mail: URSS@URSS.ru Каталог изданий в Интернете:

3127 ID 27098

http://URSS.ru

Телефакс: 7	(095) 135 -42 -16	7 8 54 84 “О0 2 4 3 6 “>
URSS• Телефакс: 7	(095) 1 35 -42 -46	7 8 54 84 “О0 2 4 3 6 “>

Оглавление

Предисловие (К читателю). Ю.Д. Третьяков..............................................	8
Предисловие......................................................................................................	9
Глава 1. Классификация и методы получения нанокластеров
и наноструктур.................................................................................	16
1.1. Молекулярные кластеры ......................................................................	16
1.2. Газовые безлигандные кластеры .........................................................	17
1.2.1. Источники получения кластеров...................................................	18
1.2.2. Масс-спектрометры и детектирование кластеров........................	23
1.3. Коллоидные кластеры ...........................................................................	26
1.4. Твердотельные нанокластеры и наноструктуры..............................	28
1.5. Матричные нанокластеры и супрамолекулярные
наноструктуры........................................................................................	30
1.6. Кластерные кристаллы и фуллериты .................................................	32
1.7. Компактированные наносистемы и нанокомпозиты......................	32
1.8. Тонкие наноструктурированные пленки ...........................................	34
1.9. Углеродные нанотрубки........................................................................	37
Пшва 2. Методы исследования ...................................................................	40
2.1. Дифракция электронов........................................................................	40
2.1.1. Дифракция медленных электронов. .............................................	41
2.1.2. Дифракция отраженных быстрых электронов ..............................	46
2.2. Полевые методы......................................................................................	47
2.2.1. Полевой электронный микроскоп.................................................	47
2.2.2. Полевой ионный микроскоп...........................................................	50
2.3. Сканирующая зондовая микроскопия ..............................................	54
2.3.1. Сканирующая туннельная микроскопия........................................	54
2.3.2. Атомно-силовая и магнитно-силовая микроскопия......................	57
2.4. Рентгеновская спектроскопия и диф ракция...................................	60
2.4.1. Рассеяние на аморфных и частично упорядоченных объектах.
Малоугловое рентгеновское рассеяние...........................................	65
2.4.2. Рентгеновская спектроскопия поглощения: EXAFS, XANS,
NEXAFS...........................................................................................	66
2.5. Электронная спектроскопия.................................................................	69
2.5.1. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия...........................	69
2.5.2. Ультрафиолетовая электронная спектроскопия..............................	73
2.5.3. Электронная Оже-спекгроскопия...................................................	78
2.6. Оптическая и колебательная спектроскопия...................................	83

4	Оглавление
2.6.1. Оптическая спектроскопия.............................................................		83
2.6.2. Колебательная спектроскопия........................................................		87
2.7. Мессбауэровская (гамма-резонансная) спектроскопия................		93
2.7.1. Адсорбционная и эмиссионная М С .............................................		95
2.7.2. Рэлеевское рассеяние мессбауэровского излучения........................		100
2.7.3. Мессбауэровская спектроскопия конверсионных электронов . . .		102
2.7.4. Временная МС резонансного рассеяния вперед..........................		103
2.7.5. Неупругое ядерное резонансное рассеяние.....................................		106
2.8. Методы радиоспектроскопии................................................................		108
2.8.1. Ядерный магнитный резонанс..........................................................		109
2.8.2. Электронный парамагнитный резонанс..........................................		111
Глава 3.	Поверхность твердых тел. Микроскопические аспекты...........	115
3.1. Атомные и молекулярные орбитали.....................................................		115
3.2. Поверхность монокристаллов, нанокластеров
и пористых сорбентов.............................................................................		119
3.3. Примесные атомы на поверхности........................................................		122
3.4. Поверхность металлов и оксидов металлов
(электронные свойства)..........................................................................		127
3.5. Поверхность металлов и оксидов металла
(магнитные свойства) .............................................................................		130
3.6. Поверхностные центры кислотного и основного типа ..................		134
3.7. Адсорбция..................................................................................................		135
3.8. Примеры адсорбции................................................................................		138
3.9. Катализ. Примеры каталитических превращений с участием
поверхности твердого тела и нанокластеров.....................................		145
Глава 4. Термодинамические аспекты поверхности..................................		154
4.1. Химический потенциал..........................................................................		154
4.2. Свободная энергия Гиббса и свободная энергия Гельмгольца . . .		155
4.3. Термодинамика поверхности и поверхностей раздела.....................		158
4.4. Термодинамика криволинейной поверхности..................................		162
4.5. Структура поверхности и межфазных границ ..................................		167
4.6. Нуклеация и рост нанокластеров в нанопорах вещества................		170

4.7.Нуклеация и рост кластеров гидроксида железа в нанопорах (экспериментальное приложение термодинамических

параметров)................................................................................................	174
4.8. Нуклеация и рост кластеров на основе
твердотельных р еак ц и й ..........................................................................	178
4.9. Твердотельная нуклеация и рост кластеров.
Пример термического разложения оксалата ж е л е за ........................	180
Пгава 5. Кластерные модели........................................................................	186
5.1. Микроскопическая модель внутрикластерной атомной
динамики.....................................................................................................	186
5.2. Термодинамическая модель кластера..................................................	189

Оглавление	5
5.3. Квантово-статистическая модель...........................................................	192
5.4. Компьютерные модели кластеров.........................................................	197
5.5. Фрактальные модели кластеров..............................................................	204
5.6. Оболочечные модели кластера.............................................................	208
5.7. Структурная модель кластеров.............................................................	217
Diaea 6. Молекулярные лигандные кластеры ...........................................	220
6.1. Молекулярные кластеры металлов........................................................	220
6.2. Свойства металлических молекулярных кластеров...........................	226
6.3. Кластеры на основе оксидов металлов................................................	230
6.4. Свойства оксометаллических молекулярных кластеров...................	236
Diaea 7. Безлигандные металлические кластеры ......................................	241
7.1. Кластеры щелочных металлов и серебра.............................................	242
7.1.1. Ионизация з] кластеров...................................................................	242
7.1.2. Сродство к электрону........................................................................	245
7.1.3. Стабильность з] кластеров................................................................	248
7.1.4. Оптические свойства з 1кластеров...................................................	254
7.2. Кластеры алю м иния................................................................................	259
7.2.1. Энергия ионизации кластеров алюминия........................................	259
7.2.2. Поляризуемость кластеров алюминия.............................................	262
7.2.3. Диссоциация кластеров алюминия...................................................	263
7.2.4. Реакционная способность кластеров алюминия.............................	265
7.3. Кластеры ртути...........................................................................................	266
7.4. Кластеры переходных металлов.............................................................	270
7.4.1. Энергия ионизации...........................................................................	270
7.4.2. Сродство к электрону........................................................................	271
7.4.3. Магнитные свойства кластеров........................................................	274
7.4.4. Стабильность и диссоциация кластеров...........................................	277
Diana 8. Углеродные кластеры......................................................................	282
8.1. Малые углеродные кластеры...................................................................	282
8.2. Фуллерены...................................................................................................	286
8.2.1. Формирование фуллеренов................................................................	287
8.2.2. Фрагментация фуллеренов................................................................	289
8.2.3. Энергии ионизации и энергия сродства к электрону.....................	290
8.2.4. Эндоэдральные фуллерены................................................................	292
8.2.5. Экзоэдральные фуллерены................................................................	294
8.2.6. Фуллерены замещения.....................................................................	299
Diaea 9. Кластеры инертных газов и малых молекул................................	305
9.1. Кластеры инертных газов........................................................................	305
9.1.1. Нейтральные кластеры инертных газов...........................................	307
9.1.2. Положительно заряженные кластеры инертных газов.....................	312
9.2. Кластеры малых молекул........................................................................	313
9.2.1. Структура кластеров...........................................................................	314
9.2.2. Электронно-колебательная структура и спектроскопия...................	316

6	Оглавление
9.2.3. Фотодиссоциация кластеров............................................................		320
9.2.4. Кластеры воды ..................................................................................		322
Diава 10. Кластерные реакции.......................................................................		325
10.1. Модель Р Р К .............................................................................................		326
10.2. Модель РРКМ и переходное состояние.............................................		326
10.3. Модель фазового пространства..........................................................		329
10.4. Определение энергий диссоциации с помощью моделей
	кластерных реакций...............................................................................	332
10.5. Реакции рекомбинации..........................................................................		333
10.6. Реакции обмена.......................................................................................		334
10.7. Реакции присоединения.......................................................................		335
	10.7.1. Реакции присоединения водорода...............................................	336
	10.7.2. Реакции кластеров молибдена с молекулярным азотом ...........	341
Глава 11. Коллоидные кластеры и наноструктуры..................................		346
11.1. Формирование коллоидных наносистем ..........................................		346
	11.1.1. Золи и их формирование...............................................................	346
	11.1.2. Мицеллы ....................................................................................	348
	11.1.3. Микроэмульсии............................................................................	350
	11.1.4. Формирование кластеров в микроэмульсиях...............................	350
	11.1.5. Организация и самоорганизация коллоидных структур...........	352
11.2. Оптические и электронные свойства коллоидных кластеров. .		. 356
	11.2.1. Оптические свойства кластеров металлов и плазмонные
	колебания.......................................................................................	357
	11.2.2. Оптические свойства полупроводниковых кластеров..................	361
	11.2.3. Электронная релаксация в коллоидных кластерах.......................	363
	11.2.4. Одноэлектронный перенос в кластерах.......................................	365
Пгава 12. Фуллериты и углеродныенанотрубки...........................................		367
12.1. Фуллериты...............................................................................................		367
12.2. Углеродные нанотрубки.......................................................................		371
	12.2.1. Структура нанотрубок....................................................................	373
	12.2.2. Электронные свойства нанотрубок...............................................	382
	12.2.3. Наноустройства на основе УНТ....................................................	389
Diaea	13. Твердотельные нанокластеры и наноструктуры.
	Тонкие пленки. Механические и тепловые свойства...............	396
13.1. Формирование твердотельных нанокластеров..................................		396
	13.1.1. Твердотельные химические реакции............................................	397
	13.1.2. Механохимические превращения..................................................	406
	13.1.3. Ударно-волновой синтез...............................................................	410
	13.1.4. Наноструктурирование под действием давления со сдвигом	. . 411
	13.1.5. Наноструктурирование путем кристаллизации
	аморфных структур.......................................................................	412
	13.1.6. Компакгирование (консолидация) нанокластеров.......................	414
13.2. Структурные особенности твердотельных наноструктур...............		415

Оглавление	7
13.2.1. Дефекты и напряжения в наноструктурах.....................................	415
13.2.2. Структурные фазовые переходы в наноструктурах .....................	421
13.3. Механические свойства нанокластеров и наноструктур................	423
13.4. Тепловые свойства...................................................................................	428
13.4.1. Плавление нанокластеров.............................................................	428
13.4.2. Теплоемкость нанокластеров...........................................................	431
13.4.3. Термическое расширение................................................................	434
13.5. Тонкие пленки ........................................................................................	435
Пгава 14. Матричные и супрамолекулярные нанокластеры
и наноструктуры.............................................................................	445
14.1. Нанокластеры металлов и оксидов металлов в матрице
органических веществ.............................................................................	445
14.2. Макромолекулярные и супрамолекулярные наноструктуры	. . . 454
14.3. Белки, полинуклеатиды и биологические объекты ........................	462
14.4. Внутримолекулярная динамика биополимеров................................	468
Пмва 15. Оптические и электронные свойства наносистем
и наноматериалов. Оптические наноустройства........................	485
15.1. Оптические свойства наносистем........................................................	485
15.1.1. Наносистемы на основе металлических нанокластеров................	486
15.1.2. Наносистемы на основе полупроводниковых кластеров...........	490
15.1.3. Фононные нанокристаллы и пористый кремний........................	494
15.1.4. Полупроводниковые наноструктуры и наноустройства................	496
15.2. Электропроводимость наноструктур...................................................	506
15.2.1. Электропроводимость трехмерных, двумерных и одномерных
наноструктур...................................................................................	507
15.2.2. Электропроводящие устройства.....................................................	513
15.2.3. Интеграции наноструктур в электронные устройства...................	518
Пива 16. Магнитные свойства наноструктур...........................................	522
16.1. Суперпарамагнетизм .............................................................................	523
16.2. Намагниченность и квантовое магнитное туннелирование . .	. . 534
16.2.1. Намагниченность нанокластеров и наноструктур........................	535
16.2.2. Квантовое магнитное туннелирование...........................................	542
16.3. Гигантское магнетосопротивление.....................................................	545
16.4. Магнитные фазовые переходы.............................................................	550
16.4.1. Наносистемы с изолированными кластерами .............................	552
16.4.2. Наноструктуры................................................................................	566
Заключение........................................................................................................	585

Предисловие (К читателю)

Эта книга охватывает новую междисциплинарную область науки

итехники, возникшую в последнее десятилетие как часть химии, физики и, вероятно, биологии. Хотя понятие наноразмера было введено очень давно, например, в связи с изучением коллоидных систем, с гомоген ным и гетерогенным катализом, только значительный прогресс в методах исследования и методах синтеза, появление новых квантово-механиче ских, вычислительных, термодинамических и других методов исследова ния и расчета выявили необходимость рассмотрения этой области как самостоятельной дисциплины. Первоначальная идея настоящей книги состояла в обобщении данных, связанных с проблемой синтеза и иссле дования свойств вещества в наноразмерном состоянии с целью создания курса лекций в МГУ на факультете наук о материалах. Это неизбежно вовлекло в рассмотрение большой круг смежных направлений физики, химии и биологии. Объем книги увеличился и приобрел самостоятельное значение, а с ним и каждая глава книги. Читатель может читать главы книги в предложенной последовательности или в разбивку, интерес к вы бранной теме главы не пропадет, читатель овладеет предметом и получит удовольствие. Разумеется, книга содержит ряд авторских, субъективных концепций и выводов, например методику классификации нанообъектов,

ипредставляет современный этап развития науки о наноструктурах. Од нако это только подогревает интерес к чтению книги и обсуждению всего великолепия наномира.

Книга представляет собой первый и, по-видимому, удачный опыт объединения знаний, изложенных в плане физико-химии наноразмерных систем, в который автор смог внести свои новые знания, свой персональ ный подход и интерес.

Остается пожелать читателю прочесть, подружиться с этой книгой

ипериодически возвращаться к ней за советом и помощью.

Академик Ю.Д. Третьяков

Предисловие

Начало есть более чем половина всего.

Аристотель

Для человека, который не знает к ко торой гавани он направляется, ни один ветер не будет попутным.

Сенека

Нанометровый диапазон измерений размеров 1 -г 100 нм открывает новые свойства и подходы к изучению вещества. В этом диапазоне меняются многие физические и химические свойства и нигде так близко не сходятся физика, химия и биология. В настоящее время здесь накоплен такой значительный теоретический, опытный и методический материал, что возникла необходимость рассмотрения науки о нанокластерах как о некоторой междисциплинарной области, имеющей многочисленные разветвления и применения.

Необходимо отметить, что нанометровые объекты хорошо известны с прошлого и позапрошлого века, как, например, коллоиды или гетероген ные катализаторы, включающие наночастицы на поверхности носителей. Однако в последнее десятилетие двадцатого века произошло выделение таких понятий, как нанокластер, наноструктура, и связанных с ними явлений в отдельную область физико-химии. Это произошло главным об разом в результате значительного прогресса в получении и исследовании нанообъектов, возникновении новых наноматериалов, нанотехнологий и наноустройств. Синтезированы новые гигантские нанокластеры ряда металлов, фуллерены и углеродные нанотрубки, многие наноструктуры на их основе и на основе супрамолекулярных гибридных органических и неорганических полимеров и т. д. Достигнут замечательный прогресс в методах наблюдения и изучения свойств нанокластеров и нанострук тур, связанный с развитием туннельной и сканирующей микроскопии, рентгеновских и оптических методов с использованием синхротронного излучения, оптической лазерной спектроскопии, радиочастотной спек троскопии, мессбауэровской спектроскопии и т. д.

Таким образом, предмет физико-химии нанокластеров должен вклю чать в себя способы получения нанокластеров и наноструктур, их свойства и применения в виде наноматериалов и технических устройств, имеющих выход в нанотехнологию.

10	Предисловие

Для рассмотрения синтеза и свойств нанообъектов целесообразны два подхода: микроскопический и термодинамический. При микроско пическом подходе возможен переход от единичных атомов и молекул, обладающих единичными атомными и молекулярными уровнями, к мас сивным телам, для которых применимы все приближения твердого тела

ипереход от макроскопических объектов к нанокластерам и нанострук турам за счет дробления или наноструктурирования вещества.

Использование атомно-молекулярных свойств влечет за собой приме нение методов квантовой химии, позволяющей проводить расчеты атом ных и молекулярных орбиталей, характеризовать структуру молекулярных уровней в нанокластерах и тем самым определять их многие тепловые, электронные, оптические, магнитные и другие свойства. Твердотельный подход состоит в рассмотрении перехода зонной структуры массивного тела к группам или отдельным атомно-молекулярным уровням при его измельчении или наноструктурировании.

Ипри молекулярном, и при твердотельном подходе выделяются две основные характеристические черты нанокластеров, отличающие их как от атомов, так и от массивных твердых тел — это наличие поверхности

иквантовые ограничения коллективных процессов, связанных с фоно нами, электронами, плазмонами, магнонами и т.д. Появление реальной поверхности для кластера не имеет четкой границы, зависит от при меняемого метода и соответствует, по-видимому, минимальному размеру кластера около 1 нм. Максимальный размер нанокластера или наночасти цы, при котором с помощью современных методов различимо влияние поверхности на их свойства, составляет около 100 нм. Для наблюдения квантовых ограничений минимальный размер не лимитирован, а макси мальный — связан с длиной волны носителей и также должен быть менее 100 нм.

Термодинамический подход к синтезу и свойствам нанокластеров позволяет определить закономерности их образования, роста, свойств и их изменений в процессе фазовых переходов.

Физико-химическое изучение синтеза, структуры и свойств нанокла стеров, наночастиц и наносистем определяет построение этой книги.

Прежде всего, целесообразно ввести классификацию нанообъектов. В ряде монографий на эту тему существуют различные подходы [1-8]. Читатель волен выбрать любую, поскольку все они имеют ту или иную мотивацию. В этой книге мы придерживаемся классификации, связанной с происхождением и получением нанокластеров и наноструктур. Такой путь наиболее полно характеризует особенности нанообъектов, поскольку именно новые методы и подходы их получения привели к стремительному развитию этой области.

Классификации нанокластеров, наночастиц и наноструктур и спосо бам их получения посвящена первая глава этой книги.

Вторым важным аспектом, необходимым для понимания свойств на нообъектов и работы с ними, являются методы исследования, особенно

1 / 601 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 > Следующая >>>

Соседние файлы в папке книги

#
12.11.202314.07 Mб0Наноструктурированная керамика на основе диоксида титана для ортопедического этапа лечения пациентов с переломами и приобретенными дефектами челюстных костей..pdf
#
12.11.20232.75 Mб2Наноструктурные стали..pdf
#
19.11.202340.53 Mб15Наноструктуры и наноматериалы. Синтез, свойства и применение.pdf
#
12.11.20237.6 Mб1Нанотермодинамика..pdf
#
12.11.202311.82 Mб5Нанотехнологии и специальные материалы..pdf
#
19.11.202333.02 Mб1Нанотехнология..pdf
#
12.11.202321.04 Mб4Наночастицы и наноматериалы с огромным потенциалом и возможными рисками..pdf
#
12.11.2023215.2 Кб0Написание статей и рефератов по физической культуре..pdf
#
12.11.20233.16 Mб0Направленное бурение глубоких скважин..pdf
#
12.11.202321.75 Mб24Направляющие системы электросвязи. Т. 2 Проектирование, строительство и техническая эксплуатация.pdf
#
19.11.202355.84 Mб1Напряженное состояние и прочность оболочек из хрупких неметаллических материалов..pdf