奈米結構與低維材料

奈米晶(nanocrystal)

把一顆普通的晶體——原子整齊地重複排列,像水果攤上堆成金字塔的橘子——整座金字塔縮小,直到它只有幾十個原子寬。這麼一小顆晶粒,尺寸通常介於約 1 到 100 奈米之間(一奈米是一毫米的百萬分之一,大約是十個原子並排的寬度),就是一顆奈米晶。它內部仍是不折不扣的晶體,有著同樣整齊的堆疊,只是小到有很大一部分原子是坐在最外層的表皮上,而不是安穩地埋在中央。

最後這一點就是整個奈米尺度的關鍵。在一顆彈珠大小的晶體裡,表面原子只佔總數微不足道的一小撮——幾乎全都是內部原子。但把晶體縮小,表面就開始佔上風。粗略估計,一顆球體中位於表面一層原子以內的原子比例,約為 3 乘以(表面層厚度)再除以半徑;對一顆 5 奈米的晶體(半徑 2.5 奈米、表面層約 0.3 奈米)而言,就是大約 3 乘以 0.3 再除以 2.5,接近三分之一的原子都住在表面。表面原子缺少鄰居,因此束縛較鬆、能量較高,而這個簡單的事實會重塑整顆粒子。

由於這麼多原子都感受得到表面,一顆奈米晶的行為會與同樣材料的塊材大不相同:它可以在正常熔點以下數百度就熔化;它外層的原子會向內收縮,使晶格略微變小;它的表面會重構成帶刻面的形狀以降低表面能;而在半導體中,把電子擠進這麼小的盒子裡還會改變它的顏色(量子局限)。奈米晶出現在觸媒粒子、量子點顯示器裡發色的小點、顏料,以及奈米結構固體的基本積木中。要帶走的一個概念是:把晶體縮得夠小,表面就不再是細節,而成了主角。

一瓶膠體硒化鎘裡含有數百萬顆 CdSe 奈米晶,每一顆都是完美的閃鋅礦小晶體,只有 2 到 6 奈米大。2 奈米的那些在紫外光下發出藍綠色光,6 奈米的則發出紅光——同樣的材料、同樣的晶體結構、不同的尺寸——因為在小顆粒中電子被侷限得更緊。顏色直接讀出了晶體的大小。

同一種晶體、不同尺寸:在奈米晶中,尺寸本身成了調控結構相關行為的旋鈕。

奈米晶不是一個新相,也不是有缺陷的晶體——它內部有著正常的晶格與單位晶胞。改變的是表面與內部的比例,以及由此衍生的一切。別把奈米晶(結晶的)與非晶奈米粒子(完全沒有晶格)搞混。

又稱
nanoparticle (when crystalline)nanocrystallite奈米粒子奈米晶粒