材料化学chapter3-磁性材料课件.ppt

1、第三章第三章 磁性材料磁性材料122014mmq qFur3.1 磁学基础磁学基础两磁极作用力大小两磁极作用力大小磁极在磁场磁极在磁场H中中受到的磁场力受到的磁场力mFq H几个重要的磁学参数几个重要的磁学参数B-磁感应强度磁感应强度M-磁化强度磁化强度H-磁场强度磁场强度u-磁导率磁导率真空条件下：真空条件下：B0=u0H u0为真空的的磁导率，为真空的的磁导率，为为4X10-7Tm/A外场中放入磁介质：外场中放入磁介质：B=u0（H+M）u0为真空的的磁导率，为真空的的磁导率，为为4X10-7Tm/A电流方向和磁力线方向关系电流方向和磁力线方向关系3.2 硬磁和软磁硬磁和软磁磁滞回线？磁滞

2、回线？磁滞回线围起的面积越大矫顽磁滞回线围起的面积越大矫顽力越大，磁性材料就越力越大，磁性材料就越“硬硬”反之，围起的面积越小矫顽力反之，围起的面积越小矫顽力越小，磁性材料就越越小，磁性材料就越“软软”3.2.1 概念概念3.2.2 软磁材料软磁材料容易磁化和去磁的材料，或者说矫容易磁化和去磁的材料，或者说矫顽力较小（低于顽力较小（低于102A/m），专业上），专业上讲导磁率高。讲导磁率高。（1）硅钢片：含硅不高于硅钢片：含硅不高于4%的钢，被的钢，被用作铁芯，导磁系数大，反复磁化损失用作铁芯，导磁系数大，反复磁化损失小。小。（2）软磁铁氧体：是一种复合氧化物，软磁铁氧体：是一种复合氧化物，铁

3、氧体本身也存在软硬之分，软磁铁氧铁氧体本身也存在软硬之分，软磁铁氧体具有立方晶系的结构，主要用于射频体具有立方晶系的结构，主要用于射频变压器、磁头和其他电子学方面变压器、磁头和其他电子学方面3.2.3 磁铁氧体磁铁氧体结构类型：结构类型：尖晶石型立方晶系结构尖晶石型立方晶系结构 AB2O4（MgAl2O4）石榴石型立方晶系结构石榴石型立方晶系结构 X3Y2Z3O12 磁铅石型六方晶系结构磁铅石型六方晶系结构 Pb（Fe3+,Mn2+)12O19软磁软磁软磁软磁硬磁硬磁3.2.2 磁铁氧体磁铁氧体硬磁要求：硬磁要求：HcHc103A/m,Br 10-1T种类Br/10-4THc/(102A/m)

4、(BH)max/(104J/m3)III42003700280058004.23.6硬磁硬磁 钡铁氧体的性能实例钡铁氧体的性能实例两种软磁铁氧体的性质两种软磁铁氧体的性质种类Bs/10-4THc/(102A/m)IIIIII(合金)4600490075000.140.160.043.2.4 软磁合金软磁合金电工硅钢（矽钢）电工硅钢（矽钢）铁镍合金：磁导率高，饱和磁化强度低，矫铁镍合金：磁导率高，饱和磁化强度低，矫顽力低损耗低。顽力低损耗低。如著名如著名“玻莫合金玻莫合金”，磁导，磁导率率150000150000以上、矫顽力以上、矫顽力0.4A/m0.4A/m，反复磁化损，反复磁化损失小。用于制

5、交流互感器和中频变压器。失小。用于制交流互感器和中频变压器。非晶合金和纳米合金：非晶合金以非晶合金和纳米合金：非晶合金以Fe、Co、Ni为基础，用作高频变压器；纳米合金为细为基础，用作高频变压器；纳米合金为细粒度磁晶，磁导率高，饱和磁感应强度低，粒度磁晶，磁导率高，饱和磁感应强度低，矫顽力低，用于制备传感器。矫顽力低，用于制备传感器。3.2.4 硬磁合金硬磁合金-是硬磁材料的主力军是硬磁材料的主力军马氏体：最早的硬磁材料，性能差；添加合金马氏体：最早的硬磁材料，性能差；添加合金元素如元素如CrCr、CoCo、NiNi等能改善磁性能，如等能改善磁性能，如Fe-Co-VFe-Co-V；AlNiCo

6、(BH)max达到达到100kJ/M3,优点：磁性稳优点：磁性稳定。不受温度影响，有较高的定。不受温度影响，有较高的Hc，可以在，可以在500高温下使用，且能制成体积小、精度高的零部高温下使用，且能制成体积小、精度高的零部件。缺点：加工性差，只能铸造或烧结成型。件。缺点：加工性差，只能铸造或烧结成型。含有稀土元素的用此材料：含有稀土元素的用此材料：BH最高，最高，Br高，矫高，矫顽力高。如顽力高。如NdFeB系列磁体。系列磁体。3.3 物质的磁性和电子行为物质的磁性和电子行为磁和电的关系：磁和电的关系：物质的磁性来源于电子在原子物质的磁性来源于电子在原子中的轨道运动，自旋运动和电中的轨道运动，

7、自旋运动和电子与电子之间的相互作用。子与电子之间的相互作用。抗磁性物质抗磁性物质顺磁性物质顺磁性物质铁磁性物质铁磁性物质亚铁磁性物质亚铁磁性物质反磁性物质反磁性物质 物质按磁性分类物质按磁性分类3.3.1 抗磁性抗磁性抗磁性是所有物质抗磁性是所有物质的共同性质，通常的共同性质，通常抗磁性非常小。将抗磁性非常小。将抗磁性物质放入磁抗磁性物质放入磁场中，磁感应强度场中，磁感应强度为负值，因为负值，因B=B=u uH H，u u0 0，而且是一个而且是一个和温度无关的量。和温度无关的量。抗磁性物质均有磁抗磁性物质均有磁距为距为0 0的原子组成，的原子组成，即原子的所有电子即原子的所有电子都已配对。都

8、已配对。温度温度磁化率磁化率抗磁性物质在磁场中的表现抗磁性物质在磁场中的表现3.3.1 抗磁性抗磁性H斜率斜率0 0B3.3.2 顺磁性顺磁性在常态下，没有磁性的相互在常态下，没有磁性的相互作用，不显出磁性。外加磁作用，不显出磁性。外加磁场时，原子磁距部分整齐的场时，原子磁距部分整齐的排列起来，表现出净磁场，排列起来，表现出净磁场，磁化率为正。温度对物质的磁化率为正。温度对物质的磁性产生一定的影响。温度磁性产生一定的影响。温度升高，磁距不容易整齐排列，升高，磁距不容易整齐排列，显出的磁性越弱，这种规律显出的磁性越弱，这种规律为为“居里定律居里定律”顺磁性物质内部，顺磁性物质内部，有些原子有净磁

9、距，有些原子有净磁距，即磁距不为即磁距不为0.0.净磁净磁距的存在是因为原距的存在是因为原子轨道上存在未成子轨道上存在未成对电子。对电子。温度温度顺磁性物质在磁场中的表现顺磁性物质在磁场中的表现磁化率磁化率HBl常温和中等强度的磁场中，磁化常温和中等强度的磁场中，磁化率较小；率较小；l温度不太低，磁场不太强，其磁温度不太低，磁场不太强，其磁化率和磁场强度无关，只同物质中化率和磁场强度无关，只同物质中铁的含量成正比；铁的含量成正比；l只有在较强磁场和较低温度下，只有在较强磁场和较低温度下，其磁感应强度才能达到饱和。其磁感应强度才能达到饱和。顺磁性物质的磁性特点顺磁性物质的磁性特点3.3.2 铁磁

10、性铁磁性铁磁性物质一放入磁场就容铁磁性物质一放入磁场就容易磁化，表现出相当强的磁易磁化，表现出相当强的磁感应强度。与顺磁性物质比感应强度。与顺磁性物质比较，磁化率要高较，磁化率要高1-21-2个数量个数量级。常见的级。常见的FeFe、CoCo、NiNi等均等均属于铁磁性物质。属于铁磁性物质。原子磁距排列整齐，原子磁距排列整齐，归结为归结为:自发磁自发磁化化(磁畴磁畴)有磁性有磁性有序的温度限制有序的温度限制(居里温度居里温度)。磁畴磁畴畴壁畴壁磁畴磁畴典型的磁畴结构示意图典型的磁畴结构示意图3.3.2 亚铁磁性亚铁磁性尖晶石立方堆积的铁氧体：尖晶石立方堆积的铁氧体：正尖晶石型和反尖晶石型。正尖

11、晶石型和反尖晶石型。原子磁距反方向排原子磁距反方向排列，但磁距不能相列，但磁距不能相互抵消，余下的磁互抵消，余下的磁距表现为亚铁磁性。距表现为亚铁磁性。3.3.2 反亚铁磁性反亚铁磁性磁化率存在一个物理上的判磁化率存在一个物理上的判断温度，称为尼尔温度断温度，称为尼尔温度T TN N。原子磁距反方向排原子磁距反方向排列，但磁距正好数列，但磁距正好数量相等、方向相反、量相等、方向相反、净磁距为零。净磁距为零。3.4 磁性记录材料磁性记录材料（1 1）几种重要的氧化物磁性材料）几种重要的氧化物磁性材料-Fe-Fe2 2O O3 3专业上也称为合成专业上也称为合成的磁赤铁矿，由磁的磁赤铁矿，由磁性氧

12、化铁制备。性氧化铁制备。铁前驱铁前驱体溶液体溶液FeO(OH)沉沉淀淀脱水脱水针状针状还原还原FeFe3 3O O4 4氧氧化化-FeFe2 2O O3 3-FeFe2 2O O3 3针状针状3.4 磁性记录材料磁性记录材料（1 1）几种重要的氧化物磁性材料）几种重要的氧化物磁性材料-掺钴的氧化铁掺钴的氧化铁Co离子掺杂的离子掺杂的-Fe2O3中中加入，其矫顽力较高。加入，其矫顽力较高。离子掺杂的方法对颗粒的大小和形状产生一离子掺杂的方法对颗粒的大小和形状产生一定的影响。如在进行定的影响。如在进行Co掺杂时，具体可采取掺杂时，具体可采取两种方式：两种方式：u一是在沉淀出一是在沉淀出FeO(OH

13、)之前就吧钴盐加入之前就吧钴盐加入溶液中；溶液中；u二是用氢氧化钴包围针状二是用氢氧化钴包围针状FeO(OH)，再做，再做下面的处理。下面的处理。3.4 磁性记录材料磁性记录材料（1 1）几种重要的氧化物磁性材料）几种重要的氧化物磁性材料-CrO2CrOCrO2 2为针状磁性材料，可还原为针状磁性材料，可还原CrOCrO3 3或氧或氧化化CrCr2 2O O3 3而制得，对离子形状的控制方法而制得，对离子形状的控制方法是在处理过程中溶液中加铁或锑离子。是在处理过程中溶液中加铁或锑离子。特点是居里温度低，使用于视频录像或特点是居里温度低，使用于视频录像或其他短波长记录场合；且硬度大、但稳其他短波

14、长记录场合；且硬度大、但稳定性低与定性低与FeFe2 2O O3 3；同等条件下，输出功率；同等条件下，输出功率高于高于-Fe2O3。几种的磁性材料的性质几种的磁性材料的性质磁性材料名称Bs/(Am2/Kg)Hc/(kA/m)密度/(g/cm3)铁铁-钴125-170140-19075-13090-1605.85.8CrO2Fe2O3Fe2O3+Co76-8473-7570-7530-5020-3230-705.84.84.83.4 磁性记录材料磁性记录材料（2 2）合金薄膜磁记录材料）合金薄膜磁记录材料薄膜材料的特点：薄膜材料的特点：u连续连续u高矫顽力高矫顽力u高饱和磁化强度高饱和磁化强度

15、高密度磁记录介质的要高密度磁记录介质的要求：求：u存储的膜要薄存储的膜要薄u高矫顽力高矫顽力u磁性介质的粒子要细磁性介质的粒子要细u各向异性要大各向异性要大u晶粒间的交换作用弱晶粒间的交换作用弱CoCo合金薄膜合金薄膜-高密度磁存储记高密度磁存储记录的主要材料品种录的主要材料品种Co基合金薄膜材料基合金薄膜材料uCo-CrCo-Cr，Co-PtCo-Pt合金薄膜磁记录性能较合金薄膜磁记录性能较好；好；u合金中加入合金中加入CrCr能提高材料的耐蚀性和能提高材料的耐蚀性和耐磨性；耐磨性；u掺杂钽能使晶粒细化；掺杂钽能使晶粒细化；u在在Co-Cr-PtCo-Cr-Pt合金中加硼可进一步提高合金中加

16、硼可进一步提高矫顽力，并有利于降低成本；矫顽力，并有利于降低成本；Co基合金薄膜材料性能比较基合金薄膜材料性能比较以以CoCrPt/Cr或或CoCrPtB/Cr品种较优品种较优Co基合金薄膜材料基合金薄膜材料多层的这类合金薄膜质量更优多层的这类合金薄膜质量更优薄膜合金磁存储介质：薄膜合金磁存储介质：纵向磁化：磁化方向和介质运纵向磁化：磁化方向和介质运动方向平行的记录方式。动方向平行的记录方式。垂直磁化：磁化方向和介质的垂直磁化：磁化方向和介质的半径相垂直的几率方式。半径相垂直的几率方式。3.5 磁性薄膜材料磁性薄膜材料磁性薄膜材料的优点：磁性薄膜材料的优点：u薄膜材料的磁畴畴壁过渡区域，薄膜材

17、料的磁畴畴壁过渡区域，磁距在膜内转向；磁距在膜内转向；u 薄膜中有自发磁化现象，但是薄膜中有自发磁化现象，但是在膜很薄时，自发磁化将为零；在膜很薄时，自发磁化将为零；u居里温度居里温度Tc也和厚度有关，厚也和厚度有关，厚度下降，度下降，Tc也有下降也有下降u磁性薄膜有各向异性，有的和磁性薄膜有各向异性，有的和制备的方法有关系。制备的方法有关系。制备方法：制备方法：（1）通过化学反应或电化学反应沉积：通过化学反应或电化学反应沉积：化学镀化学镀:通过化学反应在基底上沉积通过化学反应在基底上沉积出薄膜出薄膜 电镀：通过电极上的电化学沉积在基电镀：通过电极上的电化学沉积在基底上形成薄膜。底上形成薄膜。

18、Co2+Ni2+电极基底电镀形成薄膜示意图电镀形成薄膜示意图在制膜过程在制膜过程中，常添加中，常添加VA(如磷如磷)和和VI族族(如如铬、钨等铬、钨等)以控制调节以控制调节膜的矫玩性膜的矫玩性质质制备方法：制备方法：（2）蒸镀蒸镀：是一类通用的方法：是一类通用的方法l 经历蒸发预热，降温回复真空，升温加经历蒸发预热，降温回复真空，升温加大蒸发量，组份的合金原子沉积到基地上，大蒸发量，组份的合金原子沉积到基地上，必要时在膜的表面镀一层抗氧化膜。必要时在膜的表面镀一层抗氧化膜。l非晶态稀土非晶态稀土-过渡金属合金采用过渡金属合金采用“双源蒸双源蒸镀镀”，真空蒸镀室中采用两个源金属的坩，真空蒸镀室中

19、采用两个源金属的坩埚，蒸发条件分别控制，还可通过让基片埚，蒸发条件分别控制，还可通过让基片转动，使合金成分在基片上均匀沉积。转动，使合金成分在基片上均匀沉积。l快速蒸镀法，基片的温度控制的很低，快速蒸镀法，基片的温度控制的很低，使金属原子一沉积就定位。可回火降低应使金属原子一沉积就定位。可回火降低应力，增强磁性能。力，增强磁性能。制备方法：制备方法：（3）电子束蒸发沉电子束蒸发沉积积：在真空中采用电子在真空中采用电子束照射使材料气化，束照射使材料气化，然后沉积。此方法的然后沉积。此方法的特点是可以形成一定特点是可以形成一定组成的合金层。组成的合金层。基底基底电子束蒸发沉积电子束蒸发沉积制备方法

20、：制备方法：（4）直流直流/射频溅射射频溅射 在真空下，利用惰在真空下，利用惰性气体产生一个等离性气体产生一个等离子体，让等离子体轰子体，让等离子体轰击靶材料，把金属原击靶材料，把金属原子击出，然后沉积在子击出，然后沉积在基质上。等离子体是基质上。等离子体是由直流或射频电流产由直流或射频电流产生。生。金金属属离离子子金属靶材料金属靶材料基质基质气态离子气态离子(等离子体等离子体)制备方法：制备方法：（5）外延法外延法 气相高真空分子束外延：在很高的真空气相高真空分子束外延：在很高的真空条件下，分子束中原子或分子落在清洁的条件下，分子束中原子或分子落在清洁的基地上，层层成膜，且可用原位装置直接基

21、地上，层层成膜，且可用原位装置直接对膜进行检查。分子束外延技术可制备几对膜进行检查。分子束外延技术可制备几层到几十层分子厚的超薄膜。层到几十层分子厚的超薄膜。液相外延使材料熔融为液态，在温度略液相外延使材料熔融为液态，在温度略降至物种达到过饱和条件下，将清洁基片降至物种达到过饱和条件下，将清洁基片浸入使材料外延生长于基片上，可制备铁浸入使材料外延生长于基片上，可制备铁氧体薄膜。氧体薄膜。3.6 特殊磁性材料和他们的应用特殊磁性材料和他们的应用（1）压磁材料压磁材料-也叫磁致伸也叫磁致伸缩缩 材料，它是一种能完成磁材料，它是一种能完成磁能和机械能转换的材料能和机械能转换的材料。特点：特点：室温下

22、应变值大；室温下应变值大；能量密度高；能量密度高；响应快响应快（us级）；级）；输出力大。输出力大。用途：用途：l 液流控制元件液流控制元件 控制液体的流动常用阀控制液体的流动常用阀门、泵等设备。由于磁致门、泵等设备。由于磁致伸缩材料在磁场中能够伸伸缩材料在磁场中能够伸缩，因此可以做成阀芯来缩，因此可以做成阀芯来启闭阀门。启闭阀门。用途：用途：l微型行走装置微型行走装置 采用物理溅射法在非磁性基采用物理溅射法在非磁性基片上制得稀土片上制得稀土-铁合金的非晶态铁合金的非晶态薄膜时发现其具有软磁材料性薄膜时发现其具有软磁材料性质。在常温下较低的磁场中就质。在常温下较低的磁场中就能产生相当大的磁致伸

23、缩效应，能产生相当大的磁致伸缩效应，被称之为超磁致伸缩材料。被称之为超磁致伸缩材料。3.6 特殊磁性材料和他们的应用特殊磁性材料和他们的应用（2）距磁材料距磁材料-由它的磁滞由它的磁滞回线得名，看起来几乎是个回线得名，看起来几乎是个距形。距形。BrBs，Br/Bs=0.8,它是磁存储材料。它是磁存储材料。特点：特点：Br高，接近饱和磁感应强度，磁高，接近饱和磁感应强度，磁能积高，这样可以获得强的信号和弱的噪能积高，这样可以获得强的信号和弱的噪音；音；矫顽力低，可以降低存储的功率；矫顽力低，可以降低存储的功率；对环境和温度稳定；有铁氧体和合金两对环境和温度稳定；有铁氧体和合金两类：过渡金属铁氧体

24、类：过渡金属铁氧体(Mg,Mn)Fe2O4以及以及(Li,Mg,Fe)Fe2O4;合金有合金有Fe-Ni磁性薄膜和磁性薄膜和Fe-Ni-Co-Mn等。等。3.6 特殊磁性材料和他们的应用特殊磁性材料和他们的应用（3）旋磁材料及其在微波中的应用旋磁材料及其在微波中的应用-电电磁波在其中可以传播，但偏振面会旋转。磁波在其中可以传播，但偏振面会旋转。可制成微波器件，用于雷达、通讯、导可制成微波器件，用于雷达、通讯、导航、遥测等电子设备中。航、遥测等电子设备中。特点：特点：共振线宽度要窄以降低磁损耗；共振线宽度要窄以降低磁损耗；饱和磁化强度要适当，以适应各波段的饱和磁化强度要适当，以适应各波段的需要；

25、需要；居里温度高，这样对温度稳定性居里温度高，这样对温度稳定性好，能在较高的温度下工作好，能在较高的温度下工作 电阻高，降电阻高，降低涡流损失低涡流损失。尖晶石型。尖晶石型(Mg,Mn)Fe2O4，NiNi铁氧体，石榴石型的含稀土的铁氧体铁氧体，石榴石型的含稀土的铁氧体(Y3Fe5O12)。3.6 特殊磁性材料和他们的应用特殊磁性材料和他们的应用（4）磁流体发电磁流体发电-将高温等离子体喷入将高温等离子体喷入磁场，在洛仑兹力的作用下，带正负电磁场，在洛仑兹力的作用下，带正负电荷的粒子分别反向运动，各自聚集到电荷的粒子分别反向运动，各自聚集到电极上，将电极外接负载，就能输出电能。极上，将电极外接

26、负载，就能输出电能。负负载载等离子体等离子体磁极磁极3.6 特殊磁性材料和他们的应用特殊磁性材料和他们的应用（5）磁流体潜艇磁流体潜艇-设置为一个电场和一设置为一个电场和一个磁场，当水流过电场时，海水被电离，个磁场，当水流过电场时，海水被电离，带电荷的海水经过磁场，在强磁场的作带电荷的海水经过磁场，在强磁场的作用下，受洛仑兹力的作用，加速从艇尾用下，受洛仑兹力的作用，加速从艇尾的管子流出，用反作用力推动潜艇前行。的管子流出，用反作用力推动潜艇前行。缺点：海水在电离时缺点：海水在电离时产生氢气，显出航迹；产生氢气，显出航迹；磁场强，需要屏蔽。磁场强，需要屏蔽。第四章第四章 分子电子学材料分子电子

27、学材料4.1 分子电子学兴起分子电子学兴起 半导体电子学在微处理器半导体电子学在微处理器方面的局限性？方面的局限性？分子电子学的优势？分子电子学的优势？分子电子学的特点分子电子学的特点 与目前的微电子线路加工技术不同，分子电子与目前的微电子线路加工技术不同，分子电子学以分子为基础，制作方法为化学合成，能实现完学以分子为基础，制作方法为化学合成，能实现完全相同的分子合成。全相同的分子合成。分子电子学是由小到大、又下到上组装能逻辑分子电子学是由小到大、又下到上组装能逻辑电路，采用特殊的方法来构筑新型的集成电路乃至电路，采用特殊的方法来构筑新型的集成电路乃至芯片，完全不同与半导体电路在硅片上做各种处

28、理芯片，完全不同与半导体电路在硅片上做各种处理的方法。的方法。大小的问题。分子小到大小的问题。分子小到1-10nm，而现在研究中，而现在研究中的电子分子开关越的电子分子开关越10-100nm。所以分子芯片比硅。所以分子芯片比硅制的芯片要紧凑的多，能实现更大规模的集成。制的芯片要紧凑的多，能实现更大规模的集成。4.2 分子电子学的诞生过程分子电子学的诞生过程 Air Aviram和和Mark Ratner首先提出关于首先提出关于单分子可能有电子器件的类似行为。单分子可能有电子器件的类似行为。2019年，合成第一个具有电子器件开关行年，合成第一个具有电子器件开关行为的分子合成出来为的分子合成出来

29、2019年，正式在年，正式在SCIENCE上报道第一个上报道第一个可逆的分子开关，分子电子学技术进入一个可逆的分子开关，分子电子学技术进入一个时间和发展的阶段。时间和发展的阶段。4.3 分子开关分子开关手性手性 开关开关Chiro optic ene 手性分子结构手性分子结构XHYZYXZH 胺类分子结构胺类分子结构-NR3 左向偶极左向偶极 过渡态镜面过渡态镜面 右向偶极右向偶极NRRRRRRNRRR 胺类分子结构胺类分子结构-NRST 左向偶极左向偶极 过渡态镜面过渡态镜面 右向偶极右向偶极NRSTRSTNRST 简化后分子的两种偶极方简化后分子的两种偶极方向和中间过渡态向和中间过渡态 左

30、向偶极左向偶极 过渡态镜面过渡态镜面 右向偶极右向偶极分子开关的两种状态分子开关的两种状态XHYZ10能阱能垒能阱能量左手状态右手状态分子的势能曲线示意图分子的势能曲线示意图4.4 设计中的手性烯分子开关设计中的手性烯分子开关单摆运动？单摆运动？手性分子的手性分子的势能曲线？势能曲线？or手性分子开关举例手性分子开关举例基于噻吨基团的烯烃衍生物的分子开关功能基于噻吨基团的烯烃衍生物的分子开关功能 分子手性是由于分子中基团的不对称排列而分子手性是由于分子中基团的不对称排列而形成的特定空间构象所表现出来的手性层次形成的特定空间构象所表现出来的手性层次,即即一个分子的镜像结构不能与该分子本身重合一个

31、分子的镜像结构不能与该分子本身重合,通通常在分子中不具有对称面、对称中心等对称元素。常在分子中不具有对称面、对称中心等对称元素。超分子手性则是由于手性分子或非手性分子超分子手性则是由于手性分子或非手性分子之间通过分子间非共价相互作用而形成的手性空之间通过分子间非共价相互作用而形成的手性空间结构所表现出来的比分子手性更高层次的手性间结构所表现出来的比分子手性更高层次的手性现象。现象。配体的结构和配体与Cu()形成的配合物在氧化和还原过程中的空间构象变化示意图5-5-十八烷氧基十八烷氧基-2-2-噻唑偶氮基苯酚噻唑偶氮基苯酚(TARC18),(TARC18),进进行气、液界面组装发现行气、液界面组

32、装发现,TARC18,TARC18分子在水面上可分子在水面上可能通过能通过-相互作用等分子间作用形成两种不相互作用等分子间作用形成两种不同的手性超分子组装体。同的手性超分子组装体。其他类型的分子开关类型其他类型的分子开关类型-以杯以杯芳烃为例芳烃为例杯芳烃是由苯酚单元通过亚甲基在酚羟杯芳烃是由苯酚单元通过亚甲基在酚羟基的邻位连接而成的一类环状低聚物基的邻位连接而成的一类环状低聚物,被誉为继冠醚和环糊精后的第被誉为继冠醚和环糊精后的第3 代超分代超分子化合物，具有大小可调的空腔和修饰子化合物，具有大小可调的空腔和修饰性性,从而得到不同功能的超分子从而得到不同功能的超分子有双蒽基团的杯芳烃有双蒽基

33、团的杯芳烃-光热控制光热控制杯芳烃杯芳烃-PH控制的分子开关控制的分子开关在中性环境没在中性环境没有荧光，在碱有荧光，在碱性环境中有微性环境中有微弱的荧光，在弱的荧光，在酸性环境中荧酸性环境中荧光较强。与金光较强。与金属离子如属离子如CuCu2+2+作用后作用后,荧光荧光发生猝灭。发生猝灭。在酸性条件下在酸性条件下,H+取代了取代了Cu2+的位置与咪唑上的氮的位置与咪唑上的氮原子形成质子化的氮原子原子形成质子化的氮原子,使荧光增强。当使荧光增强。当H+完全取完全取代代Cu2+位置时位置时,荧光最强。荧光最强。第二势能面第二势能面第一第一，它是左右对称的，中间平面是，它是左右对称的，中间平面是个

34、对称镜面；个对称镜面；第二第二，有一个强偶极，它的方向和左，有一个强偶极，它的方向和左右两边的偶极向量互相垂直，也正好右两边的偶极向量互相垂直，也正好落在晶面上；落在晶面上；第三第三，于它相应的势能曲线是中间能，于它相应的势能曲线是中间能阱；阱；第四第四，它的对称面即中央晶面，和左、，它的对称面即中央晶面，和左、右手式的对称面是一个面。右手式的对称面是一个面。分子开关是建立在分子水平上的一个分子开关是建立在分子水平上的一个可逆过程，外界条件的改变，能使分子的可逆过程，外界条件的改变，能使分子的结构或构型会有一些改变，从而表现出一结构或构型会有一些改变，从而表现出一些特殊的性质。分子水平上具有开

35、关些特殊的性质。分子水平上具有开关(on/(on/off)off)意义的分子，能够在一定的条件下意义的分子，能够在一定的条件下对外界刺激做出反应，通过不同的开关控对外界刺激做出反应，通过不同的开关控制方式来产生开和关的两个状态，从而实制方式来产生开和关的两个状态，从而实现信息存储、分子识别、离子传输等特殊现信息存储、分子识别、离子传输等特殊功能。功能。4.5 分子导线分子导线-电子和空穴的通道电子和空穴的通道导电聚合物导电聚合物导电共轭分子导电共轭分子分子导电机理分子导电机理共轭分子？共轭分子？2000年，年，Mac D.、Shirakawa和和Heegez因因1977年发现掺杂年发现掺杂I2

36、的聚乙炔膜是一种的聚乙炔膜是一种分子导电材料获得诺贝尔奖。这种材料分子导电材料获得诺贝尔奖。这种材料既是共轭分子，又是聚合物。既是共轭分子，又是聚合物。分子导线是指所有由单分子或多分子构成分子导线是指所有由单分子或多分子构成的能够起到传导作用的体系的能够起到传导作用的体系,其传导的对象包其传导的对象包括电子、光子和离子，括电子、光子和离子，1987 年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖得主得主Lehn 在其获奖时称其为化学子。在其获奖时称其为化学子。分子导电机理分子导电机理HC=CC=CH HHHHC=CC=C丁二烯丁二烯C=CC=CC=CC=CH HHHHHH H H H辛四烯辛四烯碳链碳链C=CC

37、=CC=CC=C碳链碳链掺杂能提高其掺杂能提高其导电性能导电性能导电的分子化合物导电的分子化合物-电荷电荷转移导体转移导体它有两部分带环共轭体系组它有两部分带环共轭体系组合成的：合成的：一部分是供电子体；一部分是供电子体；另一部分是吸电子体。另一部分是吸电子体。导电配位聚合物导电配位聚合物导电分子的最高占有轨道是导电分子的最高占有轨道是部分充满的，分子在晶体中部分充满的，分子在晶体中的排列有利于分子的前线轨的排列有利于分子的前线轨道间的彼此重叠。道间的彼此重叠。K2Pt(CN)4X0.3nH2O(C2H5NH2)4PtCl2+金属酞菁类等金属酞菁类等金属卟啉等金属卟啉等可以通过调节可以通过调节

38、环上和桥基上环上和桥基上的基团调节此的基团调节此物质的电导率物质的电导率掺杂对聚合物的意义及特点掺杂对聚合物的意义及特点在合成聚合物导体方面，掺杂起至关重要在合成聚合物导体方面，掺杂起至关重要的作用：的作用：酞菁酞菁(PcH2)电导率为电导率为10-16S/cm，铜酞菁配，铜酞菁配合物导电率合物导电率10-10S/cm，掺杂的掺杂的PcCuI可达可达到到500-2000S/cm,导电能力大大提高。缺导电能力大大提高。缺点是稳定性变差，点是稳定性变差，不容易加工。不容易加工。特点：特点：掺杂量大；掺杂量大；不同与半导体的取代掺杂；不同与半导体的取代掺杂；是一种氧化还原掺杂；是一种氧化还原掺杂；有

39、脱杂过程。有脱杂过程。导线分子导线分子-分子导线分子导线导线分子满足的条件：导线分子满足的条件：要沿分子链输送空穴或电子；要沿分子链输送空穴或电子；分子导线要容易氧化或还原分子导线要容易氧化或还原 分子导线要有绝缘的外套，不漏电分子导线要有绝缘的外套，不漏电分子导线易控制在一定的长度；分子导线易控制在一定的长度；易于合成，稳定幸好；易于合成，稳定幸好；能修整，可以根据不同用途和要求修饰分能修整，可以根据不同用途和要求修饰分子，使它满足要求的性能；子，使它满足要求的性能；以操作，易于以操作，易于“自装配自装配”，易于，易于“装装”上上“电极电极”导线分子导线分子-分子导线分子导线-举例举例聚聚联

40、联乙乙炔炔SHSHSHSH对苯二硫酚对苯二硫酚对联苯二硫酚对联苯二硫酚.4.6 LB膜技术和相关的组装技术膜技术和相关的组装技术什么是什么是LB膜？膜？Langmuir Blodgett film的简称，是一种把的简称，是一种把浮在水面上的单分子层转移到固浮在水面上的单分子层转移到固态底物上的技术，其特点是能够态底物上的技术，其特点是能够在分子水平上控制膜的厚度，控在分子水平上控制膜的厚度，控制分子的排列。制分子的排列。特点：1)膜的厚度可以从零点几纳米至几纳米;2)高度各向异性的层状结构;3 理论上具有几乎没有缺陷的单分子层膜LB膜组装的分子类型及组装过程膜组装的分子类型及组装过程一种人为控

41、制特殊吸附的方法一种人为控制特殊吸附的方法,将具有将具有脂肪链疏水基团的双亲分脂肪链疏水基团的双亲分子子溶于挥发性溶剂中，溶于挥发性溶剂中，通过垒通过垒控制表面压控制表面压,溶质分子便在气溶质分子便在气/液界面形成二维排列有序的单分液界面形成二维排列有序的单分子膜。子膜。脂肪酸分子的特点脂肪酸分子的特点COOH烃基烃基羧基羧基憎水基憎水基亲水基亲水基水面水面R1R2R1COOCH2CHR1COOCH2OPOOOX憎憎水水端端亲水端亲水端磷脂化合物的通式磷脂化合物的通式细胞膜由两个分子层组成细胞膜由两个分子层组成憎水端憎水端亲水端亲水端亲水端亲水端LB膜技术膜技术垂直法挂膜方法垂直法挂膜方法水平

42、接触法挂膜方法水平接触法挂膜方法水平和垂直相结合的挂膜方法水平和垂直相结合的挂膜方法垂直接触法挂膜方法垂直接触法挂膜方法水平接触法挂膜方法水平接触法挂膜方法4.6 LB组装技术举例组装技术举例1)嵌段共聚物利用模板法：利用模板法：AAAAABBBAAAAABBBAAAAABBB2)配位形成SH MSHSHSH利用胶体溶液法：利用胶体溶液法：胶体粒子在溶液中的自组胶体粒子在溶液中的自组装成一定的形状，如胶束、装成一定的形状，如胶束、囊泡等。在合适的溶剂条囊泡等。在合适的溶剂条件下，将分子或纳米粒子件下，将分子或纳米粒子溶解在其中，能实现有序溶解在其中，能实现有序排列结构，称为超晶格。排列结构，称

43、为超晶格。利用流体技术：利用流体技术：流体技术是使用于纳米线流体技术是使用于纳米线和纳米管的技术。将纳米和纳米管的技术。将纳米管（线）分散在适当的溶管（线）分散在适当的溶剂中，在和液体一起流动剂中，在和液体一起流动时，它们在前进的方向上时，它们在前进的方向上排列起来，并在流速减慢排列起来，并在流速减慢时沉积下来，形成有规则时沉积下来，形成有规则的排列。的排列。LB膜的用途膜的用途u非线型光学性质非线型光学性质u新的光学存储材料新的光学存储材料u在电化学中的用途在电化学中的用途u生物仿生领域的用途生物仿生领域的用途u电催化方面的用途电催化方面的用途任意举例一个任意举例一个分子电子器件分子电子器件？作业作业