12.7. Переход от макро- к нано-

Вполне естественно задать вопрос: при каком количестве атомов нанокластер начинает вести себя как обычный массивный материал? Для кластера, состоящего из менее 100 атомов, энергия ионизации (энергия, необходимая для удаления из кластера одного электрона) отличается от работы выхода (энергии, необходимой для удаления е⁻ из объемного вещества).

Рис. 12.14. Зависимость температуры плавления Аu

от числа атомов в кластере

Поэтому, например, для кластера Au температура его плавления становится такой же, как у объемного материала при N много больше 800 атомов (см. рис. 12.14). А для меди такое поведение температуры плавления наблюдается при размере кластера всего ~100 атомов. Другими словами – разные физические характеристики нанокластера достигают своих объемных значений при разных размерах кластера.

12.8. Полупроводниковые наночастицы

Наночастицы веществ, являющихся в обычных условиях полупроводниками, изучались в последние годы особенно интенсивно. Множество исследований посвящено их электронным свойствам, что связано с использованием таких частиц в качестве квантовых точек. Кроме того, одним из замечательных свойств наночастиц полупроводниковых материалов является их резко выраженное отличие оптических свойств от аналогичных свойств объемного материала. Так, например, оптические спектры поглощения существенно сдвигаются в голубую область спектра (уменьшение длин волн) при уменьшении размеров частиц. Помимо этого существуют и другие интересные особенности, например фотофрагментация – развал кластера.

При облучении лучом лазера в режиме модулируемой добротности наблюдалась фрагментация частиц кремния и германия. Сечение фотофрагментации есть мера вероятности развала кластера (рис.12.15). Таким образом, диссоциация одних частиц более вероятна, чем других. При фотофрагментации происходят следующие реакции:

Si₁₂ + hv → Si₆ + Si₆; Si₂₀ + hv → Si₁₀ + Si₁₀. (12.4)

При размерах кластеров более 30 атомов наблюдается взрывная фрагментация наночастиц Si. К настоящему моменту объяснения данному явлению пока не получено, однако в этом направлении ведутся интенсивные исследования.

Рис. 12.15. Зависимость сечения фотофрагментации Si

от количества атомов в кластере

12.9. Кулоновский взрыв

Многократная ионизация кластера вызывает его нестабильность, что приводит к очень быстрой высокоэнергетичной диссоциации на составные части или, проще говоря, взрыву. При этом скорость разлета фрагментов в данном процессе может быть очень высока. Такое явление называется кулоновским взрывом. В чем же суть этого процесса?

Многократная ионизация кластера вызывает быстрое перераспределение зарядов на его атомах, заставляющая каждый атом становиться более положительно заряженным. Если энергия электростатического отталкивания между атомами становится больше энергии связи, то такие атомы быстро разлетаются друг от друга с большими скоростями. При этом минимальное количество атомов N, необходимое для стабильности кластера Q, зависит от типа атомов и природы связи между атомами кластера.

В табл. 12.2 рассматриваются кластеры из атомов Kr, Xе, Si, Au. Видно, что большие кластеры легче стабилизируются при высоких стeпенях ионизации. Кластеры инертных газов в среднем больше, так как составляющие их атомы имеют замкнутые оболочки и связываются на много более слабыми силами (силами Ван-дер-Ваальса). Вообще говоря, силы электростатического отталкивания могут превзойти силы притяжения между атомами кластеров в том случае, если кластер получит заряд в результате фотоионизации.

Таблица 12.2

Атом	Заряд
	+2	+3	+4
Kr	Kr73	-	-
Xe	Xe52	Xe114	Xe2O6
Si	Si3	-	-
Au	Au3	-	-

В качестве наиболее яркого примера кулоновского взрыва можно привести слияние ядер в дейтериевом кластере, облученном фемптосекундным лазерным импульсом (~10^-15с). Фрагменты диссоциации дейтериевого кластера приобретают энергию до одного миллиона электрон-вольт (МэВ). При соударении дейтериевых фрагментов их энергия вполне достаточна для инициации термоядерной реакции

D + D → ³He + n + 2.54 МэВ. (12.5)

Как видно из (12.5), в результате реакции высвобождается нейтрон с энергией 2.54 МэВ. Признаком, по которому может быть обнаружена данная реакция, является детектирование таких нейтронов сцинтилляционным детектором.