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团簇的研究现状及展望 班级 13光电 学号 1395121002 姓名 白志辉 摘要：概述团簇当前的发展现状，总结了团簇发展这么多年来取得的一些进步和团簇研究过程中遇到的一些有待解决的难题并对团簇的发展前景和方向作了展望。 关键词：团簇，微观结构，尺寸，性能特征 1．前言 团簇研究正在迅速发展，是跨越原子、分子物理、固体物理、表面物理、量子化学等诸多学科的一个交叉学科。从E.M.Beck等于1956年在喷嘴束中发现氢分子的冷凝即氢分子的团簇形成算起，将近已有40年的历史。但团簇研究在国际上的迅速发展还是最近一二十年的事情。与国际的团簇研究步伐相比，国内的土作起步较晚。从80年代中期开始，国内一些单位陆续开展了团簇的实验和理论研究。 2．团簇介绍 原子和分子团簇，简称团簇(Cluster)或微团簇(microclusters)，是几个乃至上千个原子、分子或离子通过物理或化学结合力组成相对稳定的微观和亚微观聚集体，其物理和化学性质随所包含的原子数目而变化。团簇的空间尺度是几人至几百人的范围，用分子描述显得太大，用小块固体描述又显得太小，许多性质既不同于单个原子分子，又不同于固体或液体，也不能用两者性质作简单线性外延和内插得到。因此，人们把团簇看作是介于原子分子和宏观固体之间物质结构的新层次，有人称之为物质的“第五态” [1]。正因为如此，团簇可作为各种物质由原子分子向大块物质转变过程中的特殊物相，或者说它代表了凝聚态物质的初始状态，象胚胎学以其特殊的、许多情况下甚至是唯一的方式说明生物学规律一样，团簇的研究有助于我们认识大块凝聚物质的某些性质和规律[2,3] 。 团簇科学是研究团簇的原子组态和电子结构、物理和化学性质及其向大块物质演化过程中与尺寸的关联，团簇同外界环境的相互作用规律等。团簇科学处于多学科交叉的范畴。从原子分子物理、凝聚态物理、量子化学、表面科学、材料科学甚至核物理学引入的概念和方法交织在一起，构成当前团簇究的中心议题，并逐渐发展成一门介于原子分子物理和固体物理之间的新型学科。 团簇研究的基本问题是：弄清团簇如何由原子、分子一步步发展而成，以及随着这种发展、团簇的性质将如何变化，当尺寸多大时，团簇发展成宏观固体[4]人们知道，由若干原子构成的分子，如八个硫原子构成环状分子、磷分子的四面体结构，可在气相、液相和固相中稳定的单元存在，而团簇作为原子聚集体往往产生于非平衡条件，很难在平衡的气相中产生。当团簇尺寸较小时，每增加一个原子，团簇的结构发生变化，即所谓重构。而当团簇的大小达到一定尺寸时，则变成大块固体的晶体结构，此时除了表面原子存在弛豫外，增加原子数则不再发生重构，其性质也不再发生显著改变。这个“尺寸”称之为临界尺寸，或叫做关节点。各个不同物质的关节点可能是不同的。因此，知道从一个原子或分子长成固体过程中团簇所具有的各种结构序列，是团簇研究的重要问题之一。 3.团簇生原理及方法 自然界中，团簇粒子存在，如大气烟雾、宇宙尘埃等。但是用人工方法产生团簇是团簇物理研究的基础。目前团簇的产生方法分两大类:物理方法和化学方法。根据研究问题的不同，物理方法又分许多种。 3.1　载气超声速喷嘴源[6] 金属在加热炉里被加热蒸发而汽化,金属蒸汽压力在103～104Pa。为了增加蒸发室里的压力,通入惰性气体,使压力达到几个大气压。混合的金属蒸汽和惰性气体,通过一个小喷口进入真空室。由于小喷口两边的压力差,束流获得了很高的速度,成为超声速分子束。这一过程可以看作是气体的绝热膨胀。绝热膨胀时混合气体温度降低,金属原子过饱和冷凝聚成团簇。 3.2　气体凝聚团簇源 它的基本原理是：把放置在坩埚里的所需材料加热蒸发，产生金属蒸汽。然后通入氦气，并用液氮冷却。由于氦气的引入，使得金属蒸汽温度过低。在氦气的凝聚作用下，金属原子持续凝聚而成团簇。由于团簇的再蒸发几率很小，因此团簇的产额与热力学稳定性关系不大。团簇产额和团簇的直径有关，团簇的大小由原子之间碰撞的统计平均值决定。这种源用来产生大团簇(团簇大小可达20000个原子/团簇)是很有效的，但束流强度弱于载气超声速喷嘴源。团簇的大小取决于源的各个参数，如金属蒸汽密度，氦气流速率，喷口的直径等。团簇的最终温度低于超声速源，而且温度也取决于源的各个参数。 3.3　激光蒸发团簇源 激光蒸发团簇源与其他团簇源所不同的是团簇束流为脉冲式的。从原理讲，这种源可以产生所有的金属团簇。一束强激光经聚焦后投射到靶上，激光辐射在照射区被物质所吸收，照射表层下一个薄层被加热，温度升高直到物质熔化并蒸发,产生金属蒸汽。靶丸由旋转装置带动旋转，以保证整个靶都受到激光的照射。氦气以脉冲的方式通入系统中，由于气体的冷却，使得金属原子过饱和而凝聚成团簇,团簇和气体的混和物经喷口射出。