12.1. Свойства наночастиц и их характеристики

В главе 11 были кратко рассмотрены основы одноэлектроники: теоретические принципы функционирования одноэлектронных устройств, их основные конструкции и классификационные типы. Теперь вполне логичным представляется рассмотреть свойства устройств, которые представляют собой наночастицу (т.е. мы рассмотрели, что происходит внутри наночастицы, а теперь рассмотрим, что происходит с наночастицами в целом). Можно сформулировать следующее рабочее определение (более точного определения пока не существует):

Наночастица – это агрегат атомов с размерами 1-100 нм, который рассматривается как часть объемного материала и имеет размеры, меньше характерных параметров некоторых явлений.

Первая группа объектов, которую мы рассмотрим, это металлические нанокластеры. Их первой важной характеристикой являются так называемые магические числа.

Один из способов получения металлических кластеров приведен на рис. 12.1. Лазерный луч высокой интенсивности падает на образец, вызывая испарение атомов с поверхности металла. Эти атомы уносятся потоком газообразного гелия через сопло. Расширение потока атомов в вакууме приводит к охлаждению потока и образованию кластеров из атомов испаряемого металла. Полученные кластеры ионизируются ультрафиолетовым излучением и попадают в масс-спектрометр через сепаратор для измерения отношения массы к заряду m/. В результате измерений получается так называемый масс-спектр кластеров, который имеет вид, показанный на рис. 12.2.

На рис. 12.2 количество ионов заданной массы представлено как функция количества атомов в кластере, хотя обычно масс-спектр представляют в виде зависимости количества частиц от отношения массы к заряду.

Рис. 12.1. Схема установки для получения нанокластеров методом

лазерного испарения в Не-продувке

Рис. 12.2. Пример масс-спектра нанокластеров свинца

Таким образом, из сравнения интенсивностей пиков видно, что кластеры из 7 и 10 атомов более вероятны, чем кластеры из 14 атомов. Другими словами, вероятность существования таких кластеров с 7 и 10 атомами и их стабильность гораздо выше, чем кластеров с 14 атомами.

Рассмотрим график потенциала ионизации атомов как функцию их номера Z (рис. 12.3, верхняя панель) (напомним, что ионизационный потенциал – это энергия, которую необходимо передать атому для удаления из него внешнего электрона) и зависимость потенциала ионизации наночастицы от количества атомов в кластере (рис. 12.3, нижняя панель). Видно, что пики максимальной интенсивности в обоих графиках наблюдаются для кластеров, состоящих из 2 и 8 атомов. Эти числа и называют ″электронными магическими числами″. Наличие таких чисел позволяет рассматривать кластеры как суператомы. Магические числа в данном случае можно рассматривать как аналог квантовых чисел обычного атома.

Рис. 12.3. Потенциал ионизации атомов как функция их атомного номера

В случае больших кластеров (больше 20 атомов) их стабильность определяется атомной структурой группировки атомов, а магические числа в этом случае называются ″структурными магическими числами″. В результате была предложена так называемая модель ″желе″ для нанокластеров.