МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

СУМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра наноэлектроники

Индивидуальная работа

по курсу

«Основы наноэлектроники»

на тему:

«Свойства индивидуальных наночастиц»

Вариант: 13

Выполнил: студент гр. ФЭ – 31

Матвиенко Б.И.

Проверил: преподаватель

Багдасарян А.А.

Содержание

1 Введение 4

2 Металлические нанокластеры 7

2.1 Магические числа 7

2.2 Теоретическое моделирование наночастиц 9

2.3 Геометрическая структура 12

2.4 Электронная структура 17

2.5 Реакционная способность 21

2.6 Флуктуации 23

2.7 Магнитные кластеры 24

2.8 Переход от макро- к нано- 28

3 Полупрововодниковые наночастицы 29

3.1 Оптические свойства 29

3.2Фотофрагментация 31

32

На рис. 21 показана зависимость сечения фотофрагментации (меры вероятности развала кластера) под действием излучения 532 нм лазера от размера фраг­ментов кремния. Из этого рисунка видно, что диссоциация частиц одних размеров более вероятна, чем других. Приведем некоторые из наблюдав­шихся реакций деления 32

Si12+hv –> Si6+ Si6 32

Si20+hv –> Si10+ Si10 32

3.3Кулоновский взрыв 32

Заряд 33

Атом 33

+2 33

+3 33

+4 33

Kr 33

Kr73 33

Xe 33

Xe52 33

Xe114 33

Xe2O6 33

Co2 33

(CO2)44 33

(CO2)106 33

(CO2)216 33

Si 33

Si3 33

Au 33

Au3 33

Pb 33

Pb7 33

Список литературы 35

1 Введение

Целью исследования является описание уникальных свойств индивидуальных наночастиц. Из-за того, что наночастицы состоят из 10⁶ или еще меньшего коли­чества атомов, их свойства отличаются от свойств тех же атомов, связанных в объемном веществе. Во-первых, необходимо определить, что именно мы под­разумеваем под наночастицей. Слова наночастица и нанотехнология являются относительно новыми, однако сами наночастицы появились вокруг нас и изуча­лись намного раньше, чем сформировались эти слова. Например, многие пре­красные цвета витражного стекла являются результатом присутствия в нем мел­ких кластеров оксидов металлов с размерами, сопоставимыми с длиной волны видимого света. Частицы разных размеров рассеивают свет различных длин волн, придавая разные цвета стеклу. Маленькие коллоидные частицы серебра появля­ются в процессе обработки фотоснимка. Вода при комнатной температуре состо­ит из кластеров молекул воды, связанных водородными связями.

Индивидуальные наночастицы состоят из миллиона или еще меньшего количества атомов, из-за чего их свойства отличаются от свойств тех же атомов, связанных в объемном пространстве. Вообще, многие физические свойства определяются некоторой критической длиной, например, характерным расстоянием тепловой диффузии, или длиной рассеяния. Электропроводность металла в большой степени зависит от расстояния, которое электрон проходит между двумя соударениями с колеблющимися атомами или атомами примеси в твердом теле. Это расстояние называется средней длиной свободного пробега, или характерной длиной рассеивания. Если размер частицы меньше какой-либо характерной длины, возможно появление новых физических и химических свойств.  Другое важное свойство наночастиц – для мелких кластеров большая часть атомов, составляющих частицы, находятся на их поверхности, что оказывает сильное влияние на цвет, реакционную способность, стабильность, колебательные уровни, магнитные свойства материалов. Таким образом, физические, химические и электронные свойства наночастиц, зависят не только от типа составляющих их атомов, но и от количества их в наночастицах. При этом в некоторых случаях наночастицы демонстрируют новые свойства, отсутствующие у того же материала в объеме. Например, магнетизм кластеров, состоящих из немагнитных атомов. Все это открывает огромный потенциал использования наночастицы на практике, позволяя выбирать свойства материала путем варьирования размерами частиц.

Наночастицами обычно считаются образования из связанных атомов или молекул с размерами < 100 нанометров (нм). Нанометр ра­вен 10^-9 метра или 10, так что части­цы с радиусом < 1000 могут считать­ся наночастицами. На рис. 1.1 пред­ставлена до некоторой степени условная классификация атомных кла­стеров на основании их размеров и связь между размерами частицы и ко­личеством составляющих ее атомов.

Рисунок 1 – Различие между неорганической молекулой, наночастицей и объемным те­лом на основе количества атомов в кластере.

Например, кластер радиусом один на­нометр содержит примерно 25 атомов, причем большинство из них находится на поверхности кластера. Это опреде­ление на основе размеров не совсем удовлетворительно, поскольку оно не учитывает различия между молекула­ми и наночастицами. Множество мо­лекул состоит из более 25 атомов, особенно молекулы биологического происхождения. Например, гем-молекула, FеС₃₄Н₃₂O₄N₄, являющаяся основой гемоглобина человеческой крови и переносящая кислород к клеткам, состоит из 75 атомов. В самом деле, между ними невозможно провести четкой грани. Они могут быть построены как посредством сборки отдельных атомов, так и дробле­нием объемного материала. Размеры наночастиц, меньшие, чем критические длины, характеризующие многие физические явления, и придают им уникальные свойства, делая их такими интересными для различных приложений. Вообще, многие физические свойства определяются некоторой критической длиной, на­пример, характерным расстоянием тепловой диффузии, или длиной рассеяния. Электропроводность металла в большой степени зависит от расстояния, которое электрон проходит между двумя соударениями с колеблющимися атомами или атомами примеси в твердом теле. Это расстояние называется средней длиной сво­бодного пробега, или характерной длиной рассеяния. Если размер частицы мень­ше какой-либо характерной длины, возможно появление новых физических и хи­мических свойств.

Можно принять за рабочее следующее определение: наночастица — это агре­гат атомов с размерами от 1 до 100 нм, рассматриваемый как часть объемного ма­териала, но с размерами меньше характерных длин некоторых явлений.