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CZT纳米薄膜的结构与表面形貌(定稿)-2

真空蒸发沉积CdZnTe纳米薄膜的结构与形貌*

周昊，介万奇，查钢强，高俊宁

（西北工业大学凝固技术国家重点实验室，陕西西安710072）摘要：本文采用真空蒸发沉积技术在ITO玻璃上制备得到CdZnTe纳米晶薄

膜，并利用台阶仪、X射线能谱仪（EDS）、X射线衍射仪（XRD）和原子力显微

镜（AFM）研究了CdZnTe薄膜厚度、成分、结构和形貌特征。实验结果表明：

薄膜在（111）面表现出明显的择优生长特性。在薄膜生长初期，纳米薄膜中存

在一定程度的非晶态富集Te，但随着沉积时间延长，薄膜成分向化学计量比逼

近，结构也向闪锌矿CdZnTe转变。薄膜表面形貌平整，粗糙度R a约为2-5nm。

随着沉积时间的延长，薄膜形貌由晶粒堆砌状向多晶层片连接状转变。在沉积

时间分别15min、30min和45min时，薄膜的厚度依次分别约为100nm、300nm

和500nm而薄膜的晶粒平均尺寸依次分别为43.15nm、30.81nm和71.94nm。

关键词：CdZnTe薄膜；纳米；结构；形貌

中图分类号：TN304.2 文献标识码：A

1.引言

CdZnTe是一种光电性能优异的II-VI族化合物半导体，具有吸收系数高，禁带宽度与太阳光谱相匹配等优点。因此，CdZnTe多晶薄膜被用来制备CdS-CdZnTe 太阳能顶电池[1]。此外由于载流子在CdZnTe薄膜内的漂移距离短，可以有效地提高收集效率，因此CdZnTe薄膜可用于制备高性能低成本室温X射线探测器及γ射线探测器[2]。

CdZnTe薄膜既可由化学方法制备，也可通过物理气相沉积得到。化学法主要有非水溶剂中的电化学沉积[3]；物理气相沉积中使用最多的是热蒸发法[4]，此外还有近空间升华法[5]等。这些方法常被用来制备CdZnTe薄膜探测器，薄膜厚度一般为几百微米。薄膜的厚度对其结构和性能有着重要的影响，厚度增加将导致薄膜内的晶格畸变增大，从而影响薄膜的形核与长大。

Greenberg[6]研究了不同化合物配比的CdZnTe合金的升华热力学性质。在标准大气压下，1123K时CdZnTe发生升华，随着温度的升高，由于CdTe的优先升华大量缺失，CdZnTe合金会向ZnTe变化。因此，需要选择合适的温度和蒸气压，

*基金来源：国家自然基金50772091，第一批中国博士后科学基金特别资助基金，凝固技术国家重点实验室自助研究基金

通讯作者：介万奇

作者简介：周昊(1986-)，男，江苏盐城人，在读硕士，师承介万奇教授从事光电信息功能材料研究。

确保制备得到的薄膜中不含CdTe和ZnTe。本文利用真空蒸发法，研究在薄膜沉积初期，即膜厚500nm以下时的结构与形貌变化。并采用Zn含量较高的CdZnTe 多晶粉料做蒸发源，以便更好地控制各组分的分压[7]。

2.实验

实验采用本实验室合成的高纯CdZnTe多晶粉料为蒸发源[8],以ITO玻璃为衬底。衬底采用0.1%（m/m）的NaOH溶液进行超声清洗，以去除无机杂质。然后进一步采用丙酮和去离子水分别超声清洗，以去除有机杂质，最后用N

吹干后放入真空腔室。采用AMBIOS2XP2 型台阶仪对制备的CdZnTe薄膜厚度进行了测试。采用OXFORD ISIS X射线能谱仪测试了薄膜中的各组分含量。采用PANalytiecal X’pert PRO型X射线衍射仪对CdZnTe薄膜的晶体结构进行了分析，射线入射方式为掠射，入射角为1°。采用Seiko SPI3800-SPA-400原子力显微镜观察了薄膜的表面形貌。

3.结果与讨论

3.1薄膜厚度与成分

薄膜的厚度与成分随沉积时间的变化如表1所示。表中同时给出了CdZnTe 多晶粉末（蒸发源）的成分。

表1 CZT多晶薄膜与原料中各元素含量及膜厚随沉积时间变化实测结果Table 1 The thickness and composition of the films and the composition of source

沉积膜

时间厚

（min） (nm) Cd（at.%）

成

分

Zn(at.%

）

Te（at.%）(Cd+Zn)/ Te

原料 / / 41.79

（±0.99）

8.47

（±1.27）

49.74

（±1.83）

1.0

CZT-1 15 100 18.50

（±3.18）

10.69

（±2.30）

70.69

（±1.71）

0.4

CZT-2 30 300 27.48

（±2.36）

11.39

（± 1.75）

61.13

（± 3.32）

0.8

CZT-3 45 500 36.47

（±1.95）

9.81

（± 1.51）

53.72

（± 2.81）

0.9

结果表明，当沉积时间分别为15min,30min和45min时，薄膜厚度依次分别约为100nm、300nm和500nm。薄膜中的成分配比偏离原料中的配比，呈现不同程度的富Te倾向。随着沉积时间的延长，薄膜中的成分向原料化学配比逼近。CZT-1、CZT-2薄膜中的Te含量超出CdZnTe的固溶范围，不满足化学键的平衡

原则。在薄膜成分逐渐向化学计量比转变的过程中，Cd 的含量逐渐增加，Zn 在薄膜中的含量变化并不明显。

分析认为在薄膜生长的初始阶段，Te 在ITO 衬底表面优先沉积，以非晶形式在衬底上凝结,形成薄层非晶Te 。随着沉积时间的延长，衬底上沉积的Cd 逐渐

增多。但由于小于，Zn 优先与Te 结合，Zn 也在沉积的薄膜中富集。

3.2 薄膜结构

实验获得的CdZnTe 薄膜的衍射图谱如图1所示。从图1可以看出，当ITO 衬底温度为室温时，真空蒸发法制备得到的CdZnTe 薄膜只有唯一的CdZnTe （111）面衍射峰。在CdZnTe 的各个晶面中，（111）晶面间距最大，表面能最低。气态原子在衬底表面沉积时在（111）面处发生了明显的择优生长。随着沉积时间的延长，这种择优取向得到了加强。尽管Te 在薄膜中富集，但图中并没有发现Te 第二相的衍射峰，从侧面验证了我们关于在CZT1和CZT2薄膜中富集Te 以非晶形式存在的推测。 202224262830

500010000

15000

20000

I n t e n s i t y \a .u 2θ\degrees CZT-3CZT-2

CZT-1

图1 CZT 薄膜的衍射图

Figure 1 XRD patterns of the CZT films

根据如下Scherrer 公式，可以估算薄膜中的晶粒尺寸。

（1）式中，D 为晶粒尺寸, K 为常数,一般取0.9，λ为入射X 射线的波长,β为半峰宽，θ为衍射角。计算可得，在沉积时间分别为15min,30min 和45min 时，薄膜的晶粒尺寸依次分别为43.15nm 、30.81nm 和71.94nm 。在形成CdZnTe 化合物时，晶体开始形核长大。在非晶Te 的基础上，由于生长速度缓慢等原因，形核点多，首先形成纳米晶薄膜。随着沉积的进行，纳米晶相逐渐长大，使得晶粒尺寸逐渐θ

βλcos K D =ZnTe G ?CdTe G ?

增大。

考虑到薄膜晶粒尺寸较小可能引起的衍射峰宽化，仅从单一的（111）面的出峰位置断定得到的薄膜是CdZnTe 化合物的并不准确。因此，我们将得到的薄膜从ITO 玻璃衬底剥离下来，并研成粉末，对粉末样品重新测试。在粉末的衍射图谱里，发现了CdZnTe 的（110）和（311）面，如图2所示。从三强峰的位置及峰强比例可以确定通过真空蒸发法制备得到的薄膜中的结晶相为CdZnTe ，属于立方晶系，F43空间群，为闪锌矿结构。

图2 CZT 薄膜研成粉末后及其蒸发源XRD 衍射图

Figure 2 XRD patterns of the powdered films and the CZT source 3.3 薄膜形貌

结果表明，制备得到的CdZnTe 纳米薄膜表面平整，连续致密，在沉积时间分别为15min,30min 和45min 时，薄膜的表面粗糙度R a 依次为2.5nm 、2.1nm 和

4.7nm 。

图3 CdZnTe 薄膜表面形貌

(a) CZT-1，(b) CZT-2，(c) CZT-3

(b) (c)

(a) I n t e n s i t y \a .u 2 \degrees

Figure 4 The surface morphology of the CdZnTe films

(a) CZT-1，(b) CZT-2，(c) CZT-3

由图3可以看出， CZT-1薄膜表面有大量致密的颗粒，尺寸大小在几十纳米，与根据Scherrer公式计算得到的薄膜晶粒尺寸相仿。从图3可以发现，当薄膜厚度达到300nm后，CZT-1薄膜中那些分布不连续的颗粒在平面逐渐联接，形成片层。薄膜的进一步生长伴随着原子在表面的有序的热迁移过程。正是这种有序的热迁移有效避免了薄膜中可能出现的大量孤立岛而产生的岛状生长。因此，CdZnTe薄膜更符合层岛复合模式的生长机制。

4.结论

本文研究了在衬底温度为室温的ITO衬底上，利用真空蒸发法制备的CdZnTe 纳米薄膜的结构性能和表面形貌。通过改变沉积时间制备出厚度分别为100nm、300nm和500nm的CdZnTe纳米晶薄膜，并得到以下结论：

(1)在沉积的初始阶段，CdZnTe薄膜富Te。随着沉积时间的延长， Cd的含量逐渐增加，而Zn在薄膜中的比例变化不明显。45min后薄膜的成分趋近于闪锌矿结构CdZnTe的标准化学计量比

(2) CdZnTe薄膜具有明显的择优取向生长，生长面为（111）面，沉积时间分别为15min,30min和45min时，晶粒尺寸依次分别为43.15nm、30.81nm和71.94nm。

(3) CdZnTe薄膜表面平整，连续致密。当薄膜厚度达到100nm之后，薄膜表面由颗粒状向层片状转变。CdZnTe薄膜属于层岛复合模式的生长机制。

参考文献：

[1] P. Mahawela，G. Sivaraman，S. Jeedigunta. [J]. Materials Science and

Engineering B，2005，116：83-291.

[2]P.J. Sellin. [J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research

A，2006，563：1–8.

[3] N.B.Chaure, Shweta Chaure, R.K.Pandey. [J]. Electrochimica Acta，

2008，54：296-304.

[4] J.S.Kwon. [J]. Phys.Stat.Sol.(b)，2002，229：1097-1101.

[5] C.S. Ferekides et al. [J]. Thin Solid Films，2000，361-362

[6] J.H. Greenberg. [J]. Progress in Crystal Growth and Characterization

of Materials，2003，47：196-238

[7] K. H. Kim. [J]. Nuclear Science Symposium Conference Record，2003.

[8] 徐亚东，介万奇，王涛，刘伟华，人工晶体学报[J].2006，285：41–48．

[9] 郑伟涛，薄膜材料与薄膜技术[M].化学工业出版社第二版，2008：112-113.

Structure and Surface Morphology of nano-crystalline CdZnTe films by Vacuum deposition method

ZHOU Hao, JIE Wan-qi, ZHA Gang-qiang, GAO Jun-ning,

(State Key Laboratory of Solidification Processing, Northwestern Polytechnical University,

Xi’an 710072, China)

Abstract: Nano-crystalline CdZnTe films were grown on ITO glass by Vacuum deposition method. The thickness，composition, surface morphology and structure were studied by the Step profiler，the X-ray Photoelectron Spectroscopy (EDS), X-ray diffraction (XRD), Atomic force microscope (AFM). The results showed that the films possess a preferable growth surface of (111). The films are rich in amorphous Te at the beginning of the growth, but tend to the stechiometric composition of zinc blend structure of CdZnTe crystal. The surface roughness (R a) of the films was 2-5 nano-meters. With the increase of the time, the individual grains tend to form continues multi-grain layer. For the deposition time of 15min、30min and 45min, the thickness of the film as measured to be 100nm、300nm and 400nm, and the average size of the gain are 43.15nm、30.81nm and 71.94nm respectively. Key words: CdZnTe films; Nanometer; Structure; Surface Morphology

金属纳米晶体的表面与其催化效应

金属纳米晶体的表面与其催化效应沈正阳 (浙大材料系1104 3110103281) 摘要：概括纳米材料的表面与界面特性，从金属纳米晶体表面活性与结构介绍其的催化性能，简要概述金属纳米晶体形状与晶面的关系以及金属纳米晶体的成核与生长。关键词：纳米金属；表面活性；催化；高指数晶面 1.纳米材料的表面与界面纳米微粒尺寸小，表面能高，位于表面的原子占相当大的比例。由于表面原子数增多，原子配位不足及高的表面能，使这些表面原子具有高的活性，极不稳定，很容易与其他原子结合。强烈的表面效应，使超微粒子具有高度的活性。如将刚制成的金属超微粒子暴露在大气中，瞬时就会氧化，若在非超高真空环境，则不断吸附气体并发生反应。[1] 纳米晶体是至少有一个维度介于1到100纳米之间的晶体。纳米材料主要由晶粒和晶粒界面2部分组成，二者对纳米材料的性能有重要影响。纳米材料微观结构与传统晶体结构基本一致，但因每个晶粒仅包含着有限个晶胞，晶格点阵必然会发生一定程度的弹性畸变，其内部同样会存在各种缺陷，如点缺陷、位错、孪晶界等。纳米金属粒子的形状、粒径、颗粒间界、晶面间界、杂质原子、结构缺陷等是影响其催化性能的重要因素。纳米材料中，晶界原子质量分数达15%~50%，晶界上的原子排列极为复杂，尤其三相或更多相交叉区，原子几乎是自由的、孤立的，其量子力学状态和原子、电子结构已非传统固体物理、晶体理论所能解释。金属纳米晶体研究中，发现面心立方结构纳米金属如 Al、Ni、Cu 和密排六方结构Co都存在孪晶和层错缺陷，Cu纳米金属中存在晶界滑移。 2.金属纳米晶体的催化性能近年来，关于纳米微粒催化剂的大量研究表明，纳米粒子作为催化剂，表现出非常高的催化活性和选择性。这是因为纳米微粒尺寸小，位于表面的原子或分子所占的比例非常大，并随纳米粒子尺寸的减小而急剧增大，同时微粒的比表面积及表面结合能迅速增大。纳米颗粒表面原子数的增加、原子配位的不足必然导致了纳米结构表面存在许多缺陷。从化学角度看，表面原子所处的键合状态或键

纳米材料的制备技术及其特点

纳米材料的制备技术及其特点一纳米材料的性能广义地说,纳米材料是指其中任意一维的尺度小于100nm的晶体、非晶体、准晶体以及界面层结构的材料。当小粒子尺寸加入纳米量级时,其本身具有体积效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等。从而使其具有奇异的力学、电学、光学、热学、化学活性、催化和超导特性,使纳米材料在各种领域具有重要的应用价值。通常材料的性能与其颗粒尺寸的关系极为密切。当晶粒尺寸减小时, 晶界相的相对体积将增加,其占整个晶体的体积比例增大,这时,晶界相对晶体整体性能的影响作用就非常显著。此外,由于界面原子排列的无序状态,界面原子键合的不饱和性能都将引起材料物理性能上的变化。研究证实,当材料晶粒尺寸小到纳米级时,表现出许多与一般材料截然不同的性能,如高硬度、高强度和陶瓷超塑性以及特殊的比热、扩散、光学、电学、磁学、力学、烧结等性能。而这些特性主要是由其表面效应、体积效应、久保效应等引起的。由于纳米粒子有极高的表面能和扩散率,粒子间能充分接近,从而范德华力得以充分发挥,使得纳米粒子之间、纳米粒子与其他粒子之间的相互作用异常激烈,这种作用提供了一系列特殊的吸附、催化、螯合、烧结等性能。二纳米材料的制备方法

纳米材料从制备手段来分,一般可归纳为物理方法和化学方法。 1 物理制备方法物理制备纳米材料的方法有: 粉碎法、高能球磨法[4]、惰性气体蒸发法、溅射法、等离子体法等。粉碎法是通过机械粉碎或电火花爆炸而得到纳米级颗粒。高能球磨法是利用球磨机的转动或振动,使硬球对原料进行强烈的撞击,研磨和搅拌,将金属或合金粉碎为纳米级颗粒。高能球磨法可以将相图上几乎不互溶的几种元素制成纳米固溶体,为发展新材料开辟了新途径。惰性气体凝聚- 蒸发法是在一充满惰性气体的超高真空室中,将蒸发源加热蒸发,产生原子雾,原子雾再与惰性气体原子碰撞失去能量,骤冷后形成纳米颗粒。由于颗粒的形成是在很高的温度下完成的,因此可以得到的颗粒很细(可以小于10nm) ,而且颗粒的团、凝聚等形态特征可以得到良好的控制。溅射技术是采用高能粒子撞击靶材料表面的原子或分子交换能量或动量,使得靶材表面的原子或分子从靶材表面飞出后沉积到基片上形成纳米材料。常用的有阴极溅射、直流磁控溅射、射频磁控溅射、离子束溅射以及电子回旋共振辅助反应磁控溅射等技术。等离子体法的基本原理是利用在惰性气氛或反应性气氛中

纳米材料和纳米结构

纳米材料和纳米结构 1.纳米微粒尺寸的评估在进行纳米微粒尺寸的评估之前，首先说明如下几个基本概念：（1）关于颗粒及颗粒度的概念（i）晶粒：是指单晶颗粒，即颗粒内为单相，无晶界。（ii）一次颗粒：是指含有低气孔率的一种独立的粒子，颗粒内部可以有界面，例如相界、晶界等。（iii）团聚体：是由一次颗粒通过表面力或固体桥键作用形成的更大的颗粒。团聚体内含有相互连接的气孔网络。团聚体可分为硬团聚体和软团聚体两种。团聚体的形成过程使体系能量下降。（iv）二次颗粒：是指人为制造的粉料团聚粒子。例如制备陶瓷的工艺过程中所指的“造粒”就是制造二次颗粒。纳米粒子一般指一次颗粒，它的结构可以是晶态、非晶态和准晶，可以是单相、多相结构。只有一次颗粒为单晶时，微粒的粒径才与晶粒尺寸（晶粒度）相同。（2）颗粒尺寸的定义对球形颗粒来说，颗粒尺寸（粒径）是指其直径。对不规则颗粒，尺寸的定义常为等当直径，如体积等当直径、投影面积直径等。粒径评估的方法很多，这里仅介绍几种常用的方法。 A 透射电镜观察法用透射电镜可观察纳米粒子平均直径或粒径的分布。该方法是一种颗粒度观察测定的绝对方法，因而具有可靠性和直观性。首先将那米粉制成的悬浮液滴在带有碳膜的电镜用Cu网上，待悬浮液中的载液（例如乙醇）挥发后，放入电镜样品台，尽量多拍摄有代表性的电镜像，然后由这些照片来测量粒径。测量方法有以下几种：（i）交叉法：用尺或金相显微镜中的标尺任意的测量约600颗粒的交叉长度，然后将交叉长度的算术平均值乘上一统一因子（1.56）来获得平均粒径；（ii）测量约100个颗粒中每个颗粒的最大交叉长度，颗粒粒径为这些交叉长度的算术平均值。（iii）求出颗粒的粒径或等当半径，画出粒径与不同粒径下的微粒数的分布图，将分布曲线中峰值对应的颗粒尺寸作为平均粒径。用这种方法往往测得的颗粒粒径是团聚体的粒径，这是因为在制备超微粒子的电镜观察样品时，首先需用超声波分散法，使超微粉分散在载液中，有时候很难使它们全部分散成一次颗粒，特别是纳米粒子很难分散，结果在样品Cu网上往往存在一些团聚体，在观察时容易把团聚体误认为是一次颗粒。电镜观察法还存在一个缺点就是测量结果缺乏统计性，这是因为电镜观察用的粉体是极少的，导致观察到的粉体的粒子分布范围并不代表整个粉体的粒径范围。 B X射线衍射线线宽法（谢乐公式）电镜观察法测量得到的是颗粒度而不是晶粒度。X射线衍射线宽法是测定颗粒晶粒度的最好方法。当颗粒为单晶时，该法测得的是颗粒度。颗粒为多晶时，测得的是组成单个颗粒的单个晶粒的平均晶粒度。这种测量方法只适用晶态的纳

纳米金属材料的进展与挑战

纳米金属材料进展和挑战 1 引言 40多年以前，科学家们就认识到实际材料中的无序结构是不容忽视的。许多新发现的物理效应,诸如某些相转变、量子尺寸效应和有关的传输现象等,只出现在含有缺陷的有序固体中。事实上，如果多晶体中晶体区的特征尺度（晶粒或晶畴直径或薄膜厚度)达到某种特征长度时（如电子波长、平均自由程、共格长度、相关长度等）,材料的性能将不仅依赖于晶格原子的交互作用，也受其维数、尺度的减小和高密度缺陷控制。有鉴于此，HGleiｔCｒ认为,如果能够合成出晶粒尺寸在纳米量级的多晶体，即主要由非共格界面构成的材料。例如，由50%(iｎvol.）的非共植晶界和５0%(in vol.)的晶体构成]，其结构将与普通多晶体（晶粒大于ｌｍｍ)或玻璃（有序度小于2nm）明显不同，称之为纳米晶体材料(naｎocrystalｌine materｉalｓ)。后来，人们又将晶体区域或其它特征长度在纳米量级范围(小于１０0nｎ)的材料广义定义为纳米材料或纳米结构材料(naｎoｓtructｕｒｅｄmaｔerｉalｓ)。由于其独特的微结构和奇异性能，纳米材料引起了科学界的极大关注,成为世界范围内的研究热点，其领域涉及物理、化学、生物、微电子等诸多学科。目前，广义的纳米材料的主要l）清洁或涂层表面的金属、半导体或聚合物薄膜；２)人造超晶格和量子讲结构；功半结晶聚合物和聚合物混和物;3）纳米晶体和纳米玻璃材料;4）金属键、共价键或分子组元构成的纳米复合材料。经过最近十多年的研究与探索，现已在纳米材料制备方法、结构表征、物理和化学性能、实用化等方面取得显著进展，研究成果日新月异，研究范围不断拓

宽。本文主要从材料科学与工程的角度,介绍与评述纳米金属材料的某些研究进展。２纳米材料的制备与合成材料的纳米结构化可以通过多种制备途径来实现。这些方法可大致归类为两步过程和一步过程．两步过程是将预先制备的孤立纳米颗粒因结成块体材料。制备纳米颗粒的方法包括物理气相沉积(PVＤ)、化学气相沉积(CVD)、微波等离子体、低压火焰燃烧、电化学沉积、溶胶一凝胶过程、溶液的热分解和沉淀等,其中,ＰVD法以惰性气体冷凝法最具代表性。一步过程则是将外部能量引入或作用于母体材料，使其产生相或结构转变，直接制备出块体纳米材料。诸如,非晶材料晶化、快速凝固、高能机械球磨、严重塑性形变、滑动磨损、高能粒子辐照和火花蚀刻等。目前,关于制备科学的研究主要集中于两个方面:l）纳米粉末制备技术、理论机制和模型。目的是改进纳米材料的品质和产量； 2)纳米粉末的固结技术。以获得密度和微结构可控的块体材料或表面覆层。 3 纳米材料的奇异性能 1）原子的扩散行为原子扩散行为影响材料的许多性能，诸如蠕变、超塑性、电性能和烧结性等。纳米晶Co的自扩散系数比Cu的体扩散系数大14～１６个量级,比Ｃu的晶界自扩散系数大3个量级。Ｗｕｒshum等最近的工作表明:Ｆe在纳米晶N中的扩散系数远低于早期报道的结果。纳米晶Pd的界面扩散数据类似于普通的晶界扩散，这很可能是由于纳米粒子固结成的块状试样中的残留疏松的影响。他们还报道了Ｆｅ在非晶ＦeSiＢNｂＣu(Ｆinemetｅ）晶化形成的复相纳米合金(由Ｆe３Si纳米金属间化合物和晶间的非晶相构成)中的扩散要比在非晶合金中快１0~14倍,这是由于存在过剩的热平衡空位。Ｆe在Ｆｅ-Si纳米晶中的扩散由空位调节控制。 2）力学性能目前，关于纳米材料的力学性能研究，包括硬度、断裂韧性、压缩和拉伸的应力一应变行为、应变速率敏感性、疲劳和蠕变等已经相当广泛。所研究的材料涉及不同方法制备的纯金属、合金、金属间化合物、复合材料和陶瓷。研究纳米材料本征力学性能的关键是获得内部没有（或很少)孔隙、杂质或裂纹的块状试样。由于试样内有各种缺陷，早期的许多研究结果已被最近取得的结果所否定。样品制备技术的日臻成熟与发展,使人们对纳米材料本征力学性能的认识不断深入。

纳米材料的表面界面问题

纳米材料的表面、界面问题目录摘要 (2) 1 纳米粒子和纳米固体的表面、界面问题 (3) 纳米微粒的表面效应 (3) 纳米固体的界面效应 (3) 纳米材料尺度效应导致的热学性能问题 (4) 纳米材料尺度效应导致的力学性能问题 (4) 纳米材料尺度效应导致的相变问题 (4) 2. 金属纳米材料的表面、界面问题 (5) 高性能铜(银)合金中的高强高导机理问题 (5) 金属复合材料的强化模型和物理机制问题 (5) 原子尺度上的Cu/X界面研究 (6) 3 纳米材料表面、界面效应的研究成果综述 (9) 参考文献 (11)

摘要纳米材料包含纳米微粒和纳米固体两部分，纳米微粒的粒子直径与电子的德布罗意波长相当，并且具有巨大的比表面；由纳米微粒构成的纳米固体又存在庞大的界面成分。强大的表面和界面效应使纳米材料体现出许多异常的特性和新的规律，这些特性和规律使其展现出广阔的应用前景。其中，在宏观尺度上制造出具有纳米结构和纳米效应的高性能金属材料，并揭示这些材料的组织演化特征以实现功能调控，是金属材料学科面临的重大科学问题和需要解决的核心关键技术。本文将对纳米材料的表面、界面效应进行介绍并重点阐述金属纳米材料界面、尺度与材料塑变、强化关系的研究进展。关键词：纳米材料；表面效应；复合材料、

1 纳米粒子和纳米固体的表面、界面问题纳米粒子是指颗粒尺度在范围的超细粒子，它的尺度小于通常的微粉，接近于原子簇。是肉眼和一般显微镜看不见的微小粒子[1]。只能用高倍的电子显微镜进行观察。最早日本名古屋大学上田良二教授给纳米微粒下了一个定义：用电子显微镜能看到的微粒被称为纳米微粒[2]。纳米固体是由纳米微粒压制活特殊加工而成的新型固体材料，它可以是单一材料，也可以是复合材料。纳米固体最早是由联邦德国萨尔兰大学格莱特等人在80年代初首先制成的。他们用气相冷凝发制得具有清洁表面的纳米级超级微粒子，在超高真空下加压形成固体材料。纳米微粒的表面效应随着微粒粒径的减小，其比表面积大大增加，位于表面的原子数目将占相当大的比例。例如粒径为5nm时，表面原子的比例达到50%；粒径为2nm时，表面原子的比例数猛增到80%；粒径为1nm时，表面原子比例数达到99%，几乎所有原子都处于表面状态。庞大的表面使纳米微粒的表面自由能，剩余价和剩余键力大大增加。键态严重失配、出现了许多活性中心，表面台阶和粗糙度增加，表面出现非化学平衡、非整数配位的化学价，导致了纳米微粒的化学性质与化学平衡体系有很大差别，我们把这些差别及其作用叫做纳米微粒的表面效应[3]。从电镜研究中也可以看出，由于强烈的表面效应使得纳米微粒的微观结构处于不断地变化之中。纳米固体的界面效应由纳米微粒制成的纳米固体，不同于长程有序的晶态固体，也不同于长程无序短程有序的非晶态固体，而是处于一种无序状态更高的状态。格莱特认为，这类固体的晶界有“类气体”的结构，具有很高的活性和可移动性。从结构组成上看它是由两种组元构成，一是具有不同取向的晶粒构成的颗粒组元，二是完全无序结构各不相同的晶界构成的界面组元。由于颗粒尺寸小，界面组元占据了可以与颗粒组元相比拟的体积百分数。例如当颗粒粒径为5-50nm时构成的纳米固体，

纳米材料特性

《纳米材料导论》作业 1、什么是纳米材料？怎样对纳米材料进行分类？答：任何至少有一个维度的尺寸小于100nm或由小于100nm的基本单元组成的材料称作纳米材料。它包括体积分数近似相等的两部分：一是直径为几或几十纳米的粒子，二是粒子间的界面。纳米材料通常按照维度进行分类。原子团簇、纳米微粒等为0维纳米材料。纳米线为1维纳米材料，纳米薄膜为2维纳米材料，纳米块体为3维纳米材料，及由他们组成的纳米复合材料。按照形态还可以分为粉体材料、晶体材料、薄膜材料。 2、纳米材料有哪些基本的效应？试举例说明。答：纳米材料的基本效应有：一、尺寸效应，纳米微粒的尺寸相当或小于光波波长、传导电子的德布罗意波长、超导态的相干长度或投射深度等特征尺寸时，周期性的边界条件将被破坏，声、光、电、磁、热力学等特征性即呈现新的小尺寸效应。出现光吸收显著增加并产生吸收峰的等离子共振频移；磁有序态转为无序态；超导相转变为正常相；声子谱发生改变等。例如，纳米微粒的熔点远低于块状金属；纳米强磁性颗粒尺寸为单畴临界尺寸时，具有很高的矫顽力；库仑阻塞效应等。二、量子效应，当能级间距δ大于热能、磁能、静磁能、静电能、光子能量或超导态的凝聚能时，必须考虑量子效应，随着金属微粒尺寸的减小，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象和半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据分子轨道，能隙变宽的现象均称为量子效应。例如，颗粒的磁化率、比热容与所含电子的奇、偶有关，相应会产生光谱线的频移，介电常数变化等。三、界面效应，纳米材料由于表面原子数增多，晶界上的原子占有相当高的比例，而表面原子配位数不足和高的表面自由能，使这些原子易与其它原子相结合而稳定下来，从而具有很高的化学活性。引起表面电子自旋构象和电子能谱的变化；纳米微粒表面原子运输和构型的变化。四、体积效应，由于纳米粒子体积很小，包含原子数很少，许多现象不能用有无限个原子的块状物质的性质加以说明，即称体积效应。久保理论对此做了些解释。 3、纳米材料的晶界有哪些不同于粗晶晶界的特点？答：纳米晶的晶界具有以下不同于粗晶晶界结构的特点：1）晶界具有大量未被原子占据的空间或过剩体积，2）低的配位数和密度，3）大的原子均方间距，4）存在三叉晶界。此外，纳米晶材料晶间原子的热振动要大于粗晶的晶间原子的热振动，晶界还存在有空位团、微孔等缺陷，它们与旋错、晶粒内的位错、孪晶、层错以及晶面等共同形成纳米材料的缺陷。 4、纳米材料有哪些缺陷？总结纳米材料中位错的特点。答：纳米材料的缺陷有：一、点缺陷，如空位，溶质原子和杂质原子等，这是一种零维缺陷。二、线缺陷，如位错，一种一维缺陷，位错的线长度及位错运动的平均自由程均小于晶粒的尺寸。三、面缺陷，如孪晶、层错等，这是一种二维缺陷。纳米晶粒内的位错具有尺寸效应，当晶粒小于某一临界尺寸时，位错不稳定，趋向于离开晶粒，而当粒径大于该临界尺寸时，位错便稳定地存在于晶粒 T 内。位错与晶粒大小之间的关系为：1）当晶粒尺寸在50～100nm之间，温度<0.5 m

金属纳米材料的应用研究

金属纳米材料的应用与研究【前言】著名科学家费曼于1959年所作的《在底部还有很大空间》的演讲中，以“由下而上的方法”(bottom up) 出发，提出从单个分子甚至原子开始进行组装，以达到设计要求。他说道，“至少依我看来，物理学的规律不排除一个原子一个原子地制造物品的可能性。”并预言，“当我们对细微尺寸的物体加以控制的话，将极大得扩充我们获得物性的范围。”[1] 1974年，科学家唐尼古奇最早使用纳米技术一词描述精密机械加工。1982年，科学家发明研究纳米的重要工具－－扫描隧道显微镜，使人类首次在大气和常温下看见原子，为我们揭示一个可见的原子、分子世界，对纳米科技发展产生了积极促进作用。 1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生。【摘要】纳米技术是当今世界最有前途的决定性技术。文章简要地概述了纳米技术，纳米材料的结构和特殊性质以及纳米纳米材料各方面的性能在实际中的应用，并展望了纳米材料的应用前景。 1．纳米科学和技术 1.1 纳米科技的定义纳米科技是20世纪80年代末诞生并正在崛起的新科技，是一门在0.1~ 100 nm尺度空间内，研究电子、原子和分子运动规律和特性的高技术学科。其涵义是人类在纳米尺寸（10-9--10-7m）范围内认识和改造自然，最终目标是通过直接操纵和安排原子、分子而创造特定功能的新物质。纳米科技

是现代物理学与先进工程技术相结合的基础上诞生的，是一门基础研究与应用研究紧密联系的新兴科学技术。其中纳米材料是纳米科技的重要组成部分。 1.2 纳米科技的内容纳米科技主要包含：纳米物理学；纳米电子学；纳米材料学；纳米机械学；纳米生物学；纳米显微学；纳米计量学；纳米制造学…… 1.3 纳米科技的内涵第一：纳米科技不仅仅是纳米材料的问题。目前科技界普遍公认的纳米科技的定义是：在纳米尺度上研究物质的特性和相互作用以及如何利用这些特性和相互作用的具有多学科交叉性质的科学和技术。纳米科技与众多学科密切相关，它是一门体现多学科交叉性质的前沿领域。现在已不能将纳米科技划归任何一个传统学科。如果将纳米科技与传统学科相结合，可产生众多的新的学科领域，并派生出许多新名词。这些新名词所体现的研究内容又有交叉重叠。若以研究对象或工作性质来区分，纳米科技包括三个研究领域：纳米材料；纳米器件；纳米尺度的检测与表征。其中纳米材料是纳米科技的基础；纳米器件的研制水平和应用程度是人类是否进入纳米科技时代的重要标志；纳米尺度的检测与表征是纳米科技研究必不可少的手段和理论与实验的重要基础。目前人们对纳米科技的理解，似乎仅仅是讲纳米材料，只局限于纳米材料的制备,这是不全面的。主要原因：国内科研经费的资助以及有影响的成果的获得，主要集中在纳米材料领域，而且我国目前纳米科技在实际生活中的应用也最先在纳米材料这一领域表现出来。我国现在300余家从事纳米科技研发的公司也主要是从事纳米材

基于局域表面等离激元共振的金属纳米结构折射率传感

基于局域表面等离激元共振的金属纳米结构折射率传感高灵敏度的折射率传感结构在生物化学传感等领域有着很大的潜在应用价值。因为金属纳米结构在表面等离激元共振(SPR)产生时会有明显的电磁场增强,所以在高灵敏度传感应用上受到广泛关注。有两种SPR被用于折射率传感应用：传播的SPR(PSPR)和局域的SPR (LSPR)。由于传播SPR传感需要非常光滑的金属表面,所以对加工精度要求高。因此,本文这里主要讨论基于LSPR的折射率传感。金属纳米结构的尖端在LSPR产生时会有很强的局域电场,因此带有尖端的金属纳米结构传感灵敏度很高。本文第一部分工作中我们研究了带有四个尖端的X形金属纳米孔阵列结构的LSPR传感。实验和数值模拟的结果均证实了该结构拥有高折射率传感灵敏度。此外特异介质结构在磁响应共振产生时也会有很强的局域电场,因此他们可以应用于高灵敏度折射率传感。本文余下的工作就是制备用于传感的特异介质结构。金属纳米环形圆盘结构有很大的局域电场和周围用于传感的电介质环境相互叠加的空间。X形金属纳米颗粒结构有四个尖端,在LSPR产生时会有很强的局域电场。所以上面提的这2种结构都有很高的传感灵敏度。基于此,我们制备了由金属纳米环形圆盘、电介质层和金属膜以及由X形金属纳米颗粒、电介质层和金属膜组成的环形圆盘和X形2种特异介质结构。实验测试和数值模拟证实了这2种结构有着非常高的传感灵敏度。本文的主要工作分为如下几个方面：1.X形金属纳米孔阵列折射率传感带有尖端的金属纳

米结构在产生LSPR共振时有着很强的局域电场。这一现象使得局域的电场与周围电介质环境的相互作用就很强,因此这种结构有着高传感灵敏度。基于此,我们制备了带有四个相对尖端的X形金属纳米孔阵列结构。四个尖端的存在使得电场在LSPR产生时被很好的局域和增强了。透射光谱的实验测试结果表明了该结构的折射率传感灵敏度可以达到945nm RIU-1,高于其他诸如圆环形和月亮形这样的拥有高折射率传感灵敏度的金属纳米结构。我们通过使用电介质支撑柱将X形金属孔阵列支撑起来远离玻璃衬底来增加局域电场与周围用于传感的电介质环境的叠加区域,然后减少尖端间距进一步增强局域电场。经过这两步之后,该结构在近红外区域传感灵敏度达到了非常高的1398nm RIU-1。这一高传感灵敏度使得该结构在芯片集成高灵敏度生物医学传感和光学集成器件中有很大的潜在应用。2.环形圆盘特异介质折射率传感由于磁共振的产生导致特异介质结构周围有很强的局域电场。这使得局域的电场与周围用于传感的电介质环境有强相互作用。因此特异介质有很高的传感灵敏度。环形圆盘金属纳米结构在LSPR共振时比其他如圆盘和球形金属纳米结构有着更大的局域电场与周围用于传感的电介质环境相互叠加的区域,因此该结构有更高的传感灵敏度。基于上面提的这两点,我们制备了在金属膜上由电介质层支撑的金属环形圆盘构成的特异介质结构。反射光谱的测量表明该结构的传感灵敏度可达到1304nm RIU-1.我们通过增加电介质层的厚度和环形圆盘内半径进一步的增加局域电场和电介质环境相互

金属纳米微粒晶体结构的稳定性及其结合能

万方数据

５４８中固有色金属学报２００９年３月降低，随着微粒尺寸的增加趋近于块体结合能。２）在一定形状下，在一定的临界尺寸时纳米微粒ｂｃｃ结构的结合能和ｆｅｅ结构的结合能相等。当微粒尺寸大于该临界尺寸时，ｂｅｅ结构更稳定，小于该尺寸时，ｆｅｅ结构更稳定。３）球形和正四面体形可以看作近正多面体形的两个极限，多面体形微粒发生结构转变的临界尺寸也介于两个极限尺寸之间，这和ｖ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ和Ｆｅ元素纳米微粒在文献中报道的结果一致。ＲＥＦＥＲＥＮＣＥＳ【２］【３】【４】［５】【６】【７】【８】【９】９ＣＨＡＴＴＯＰＡＤＨＹＡＹＰＰ＇ＰＡＢＩＳＫ．ＭＡＮＮＡＩ．ＡｍｅｔａｓｔａｂｌｅａｌｌｏｔｒｏｐｉｃｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｎＮｂｉｎｄｕｃｅｄｂｙｐｌａｎｅｔａｒｙｂａｌｌｍｉｌｌｉｎｇ［Ｊ］．ＭａｔｅｒＳｃｉＥｎｇＡ，２００１．３０４／３０６：４２４－４２８．ＭＡＮＮＡＩ。ＣＨＡＴＴＯＰ＿ＡＤＨＹＡＹＰＰ’ＢＡＮＨＡＲＴＦ＇ＦＥＣＨＴＨＪＦｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｆａｃｅ－－ｃｅｎｔｅｒｅｄ—?ｃｕｂｉｃｚｉｒｃｏｎｉｕｍｂｙｍｅｃｈａｎｉｃａｌａｔｔｒｉｔｉｏｎ［Ｊ］．ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，２００２，８１（２２）：４１３６—４１３８．ＫＩＴ八ＫＡＭＩＯ．ＳＡＴＯＨ．ＳＨＩⅣ【ＡＤＡＹ．Ｓｉｚｅｅｆｆｅｃｔｏｎｔｈｅｃｒｙｓｔａｌｐｈａｓｅｏｆｃｏｂａｌｔｆｉｎｅｐａｒｔｉｃｌｅｓ［Ｊ］．ＰｈｙｓｉｃｓＲｅｖｉｅｗＢ，１９９７，５６（２１１：１３８４９—１３８５４．ＨＡＮＥＤＡｋＺＨＯＵＺＸ，ＭＯＲ刚ＳＨＡＨ．Ｌｏｗ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｔａｂｌｅｎａｎｏｍｅｔｅｒ－ｓｉｚｅｆｃｃ—Ｆｅｐａｒｔｉｃｌｅｓｗｉｔｈｎｏｍａｇｎｅｔｉｃｏｒｄｅｒｉｎｇ［Ｊ］．ＰｈｙｓｉｃｓＲｅｖｉｅｗＢ，１９９２，４６（２１）：１３８３２—１３８３７．ＨＵＨＳＨ，ＫＩＭＨＫ．ＰＡＲＫＪＷ．ＬＥＥＧＨ．ＣｒｉｔｉｃａｌｃｌｕｓｔｅｒｓｉｚｅｏｆｍｅｔａｌｌｉｃＣｒａｎｄＭｏｎａｎｏｃｌｕｓｔｅｒｓ［Ｊ］．ＰｈｙｓｉｃｓＲｅｖｉｅｗＢ，２０００，６２（４）：２９３７—２９４３．ＴＥＳＳＩＥＲ凡ＢＲＥＮＮＥＣＫＥＦ，ＳＴＡＤＴＨＥＲＲＡ．ＲｅｌｉａｂｌｅｐｈａｓｅｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎａｌｙｓｉｓｆｏｒｅｘｃｅｓｓＧｉｂｂｓｅｎｅｒｇｙｍｏｄｅｌｓ［Ｊ］．ＣｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＳｃｉｅｎｃｅ，２０００，５５：１７８５—１７９６．ＭＥＮＧＱ。ｚＨＯＵＮ，ＲＯＮＧＹ，ＣＨＥＮＳ，ＨＳＵＴＹｘｕＺｕ－ｙａｏ．Ｓｉｚｅｅｆｆｅｃｔ００ｔｈｅＦｅｎａｎｏｅｒｙｓｔａｌｌｉｎｅｐｈａｓｅｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＡｃｔａＭａｔｅｒｉａｌｉａ，２００２．５０：４５６３—４５７０．ＱＩＷＨ．Ｓｉｚｅ，ｓｈａｐｅａｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｅｐｅｎｄｅｎｔｃｏｈｅｓｉｖｅｅｎｅｒｇｙａｎｄｐｈａｓｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｍｅｔａｌｌｉｃｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ［Ｊ］．ＳｏｌｉｄＳｔａｔｅＣｏｍｒａｔｍｉｃａｔｉＯＩｌＳ，２００６，ｌ３７：５３６－－５３９．ＴｏＭＡ７ＮＥＫＤ，ＭＩⅨＨＥｌｕＥＥＳ。ＢＥＮＮＥＲＭＡＮＮＫＨ－【ｌＯ】【１２］【１３】【１４】Ｓｉｍｐｌｅｔｈｅｏｒｙｆｏｒｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｎｄａｔｏｍｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｓｍａｌｌｃｌｕｓｔｅｒｓ［Ｊ］．ＰｈｙｓｉｃｓＲｅｖｉｅｗＢ，１９８３，２８（２）：６６５－６７３．ＳＵＮＣＱ，ＷＡＮＧＹＴＡＹＢｋＬＩＳ，ＨＵＡＮＧＨ，ＺＨＡＮＧＹＣｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｍｅｌｔｉｎｇｐｏｉｎｔｏｆａｎａｎｏｓｏｌｉｄａｎｄｔｈｅｃｏｈｅｓｉｖｅｅｎｅｒｇｙｏｆａｓｕｒｆａｃｅａｔｏｍ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｈｙｓｉｃｓＣｈｅｍｉｃａｌＢ，２００２，１０６（４１）：１０７０１—１０７０５．．ＲＡＮＧＱ，ＬＩＪＣ，ＣＨＩＢＱ．Ｓｉｚｅ－ｄｅｐｅｎｄｅｎｔｃｏｈｅｓｉｖｅｅｎｅｒｇｙｏｆｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ［Ｊ］．ＣｈｅｍｉｃａｌＰｈｙｓｉｃｓｌ捌［１ｃｔ２００２，３６６（５／６）：５５ｌ－５５４．ＮＡＮＤＡＫＩ（，ＳＡＨＵＳＮ．ＢＥＨＥＲＡＳＮ．Ｌｉｑｕｉｄ?ｄｒｏｐｍｏｄｅｌｆｏｒｔｈｅｓｉｚｅ?ｄｅｐｅｎｄｅｎｔｍｅｌｔｉｎｇｏｆｌｏｗ?ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｓｙｓｔｅｍｓ［ｊ］．ＰｈｙｓｉｃｓＲｅｖｉｅｗＡ，２００２，６６（１）：０１３２０８－０１３２０９．ＱＩＷＨ，ＷＡＮＧＭＰ＇ＸＵＧＹＴｈｅｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｚｅｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅｏｆｃｏｈｅｓｉｖｅｅｎｅｒｇｙｏｆｍｅｔａｌｌｉｃｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ［Ｊ］．ＣｈｅｍｉｃａｌＰｈｙｓｉｃａｌＬｅｔｔｅｒ，２００３，３７６（３／４）：５３８—５３８． ⅪＭＨＫ，ＨＵＨＳＨ，ＰＡＲＫＪＷＴｈｅｃｌｕｓｔｅｒｓｉｚｅｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅｏｆｔｈｅｒｍａｌｓｔａｂｉｌｉｔｉｅｓｏｆｂｏｔｈｍｏｌｙｂｄｅｎｕｍａｎｄｔｕｎｇｓｔｅｎｎａｎｏｃｌｕｓｔｅｒｓ［Ｊ］．ＣｈｅｍｉｃａｌＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒ，２００２，３５４（１／２）：１６５－１７２．Ｑ１ｗＨ，ＷＡＮＧＭＰＳｉｚｅａｎｄｓｈａｐｅｄｅｐｅｎｄｅｎｔｍｅｌｔｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｍｅｔａｌｌｉｃｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ［Ｊ］．ＭａｔｅｒｉａｌｓＣｈｅｍｉｓｔｒｙａｎｄＰｈｙｓｉｃｓ。２００４，８８（２／３）：２８０—２８４．ＮＡＨＥＲＵ。ＢＪＲＮＨＯＬＭＳ，ＦＲＡＵＥＮＤＯＲＦＳ，ＧＡＲＣＩＡＳＦ＇ＧＵＥＴＦ．Ｆｉｓｓｉｏｎｏｆｍｅｔａｌｃｌｕｓｔｅｒｓ［Ｊ］．ＰｈｙｓｉｃｓＲｅｐｏｒｔｓ，１９９７，２８５（６）：２４５－３２０．｝兀兀ＴＧＲＥＮＲＤＥＳＡＩＤＰＤ，ＨＡＷＫＩＮＳＴ＇ＧＬＥＩＳＥＲＭ，ＫＥＬＬＹＫＫ，ＷＡＧＭＡＮＫＫ．Ｅｌｅｃｔｅｄｖａｌｕｅｓｏｆｔｈｅｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｅｅｌｅｍｅｎｔｓ［Ｍ］．Ｃｌｅｖｅｌａｎｄ：ＡｍｅｒｉｃａｎＳｏｃｉｅｔｙｏｆＭｅｔａｌｓ，１９７３．ＰＥＴＴＩＦＯＲＤＧＴｈｅｏｒｙｏｆｔｈｅｃｒｙｓｔａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｏｆｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｍｅｔａｌｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌＰｈｙｓｉｃｓＣ，ｌ９７０，３：３６７—３７７．张邦维，胡望宇，舒小林．嵌入原子方法理论及其在材料科学中的应用【Ｍ】．长沙：湖南大学出版社，２００２：２４９－２６０．ＺＨＡＮＧＢａｎｇ?ｗｅｉ，ＨＵＷａｎｇ—ｙｕ，ＳＨＵＸｉａｏ—ｌｉｎ．ＴｈｅｏｒｙｏｆｅｍｂｅｄｄｅｄａｔｏｍｍｅｔｈｏｄａｎｄｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｔＯｍａｔｅｒｉａｌｓ［Ｍ］．Ｃｈａｎｇｓｈａ：ＨｕｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２００２：２４９—２６０．（编辑龙?际中）珂ｑ刀明卅【　万方数据

纳米材料论文

纳米材料的特性与应用摘要：纳米材料在结构、光电和化学性质等方面的诱人特征，引起物理学家、材料学家和化学家的浓厚爱好。80年代初期纳米材料这一概念形成以后，世界各国对这种材料给予极大关注。它所具有的独特的物理和化学特性，使人们意识到它的发展可能给物理、化学、材料、生物、医药等学科的研究带来新的机遇。纳米材料的应用前景十分广阔。近年来，它在化工、催化、涂料等领域也得到了一定的应用，并显示出它的独特魅力。关键词：纳米材料特性应用 1. 纳米发展简史 1959年，着名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德。费曼预言，人类可以用小的机器制作更小的机器，最后实现根据人类意愿逐个排列原子、制造产品，这是关于纳米科技最早的梦想。 1991年，美国科学家成功地合成了碳纳米管，并发现其质量仅为同体积钢的1/6，强度却是钢的10倍，因此称之为超级纤维.这一纳米材料的发现标志人类对材料性能的发掘达到了新的高度。1999年，纳米产品的年营业额达到500亿美元。 2．什么是纳米材料纳米（nm）是长度单位，1纳米是10-9米（十亿分之一米），对宏观物质来说，纳米是一个很小的单位，不如，人的头发丝的直径一般为7000-8000nm，人体红细胞的直径一般为3000-5000nm，一般病毒的直径也在几十至几百纳米大小，金属的晶粒尺寸一般在微米量级；对于微观物质如原子、分子等以前用埃来表示，1埃相当于1个氢原子的直径，1纳米是10埃。一般认为纳米材料应该包括两个基本条件：一是材料的特征尺寸在1-100nm之间，二是材料此时具有区别常规尺寸材料的一些特殊物理化学特性。 3. 纳米材料的特性广义地说，纳米材料是指在三维空间中至少有一维处在纳米尺度范围（1-100nm）或由他们作为基本单元构成的材料。 3.1表面与界面效应这是指纳米晶体粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。例如粒子直径为10纳米时，微粒包含4000个原子，表面原子占40%；粒子直径为1纳米时，微粒包含有30个原子，表面原子占99%。主要原因就在于直径减少，表面原子数量增多。再例如，粒子直径为10纳米和5纳米时，比表面积分别为90米2/克和180米2/克。如此高的比表面积会出现一些极为奇特的现象，如金属纳米粒子在空中会燃烧，无机纳米粒子会吸附气体等等。 3.2小尺寸效应

纳米材料与纳米结构21个题目完整答案

1.简单论述纳米材料的定义与分类。 2.什么是原子团簇? 谈谈它的分类. 3.通过Raman 光谱中任何鉴别单壁和多臂碳纳米管? 如何计算单壁碳纳米管直径? 4.论述碳纳米管的生长机理。 5.论述气相和溶液法生长纳米线的生长机理。 6.解释纳米颗粒红外吸收宽化和蓝移的原因。 7.论述光催化的基本原理以及提高光催化活性的途径。 8.什么是库仑堵塞效应以及观察到的条件？ 9.写出公式讨论半导体纳米颗粒的量子限域效应和介电限域效应对其吸收边，发光峰的影响。 10.纳米材料中的声子限域和压应力如何影响其Raman 光谱。 11.论述制备纳米材料的气相法和湿化学法。 12.什么是纳米结构，并举例说明它们是如何分类的，其中自组装纳米结构形成的条件是什么。 13.简单讨论纳米颗粒的组装方法 14.论述一维纳米结构的组装，并介绍2种纳米器件的结构。 15.论述一维纳米结构的组装，并介绍2种纳米器件的结构。 16.简单讨论纳米材料的磁学性能。 17.简述“尺寸选择沉淀法”制备单分散银纳米颗粒的基本原理 18.简述光子晶体的概念及其结构 19.目前人们已经制备了哪些纳米结构单元、复杂的纳米结构和纳米器件。并说明那些纳米结构应该具有增强物理和化学性能。 20.简单论述单电子晶体管的原理。 21.简述纳米结构组装的工作原理。 1.简单论述纳米材料的定义与分类。答：最初纳米材料是指纳米颗粒和由它们构成的纳米薄膜和固体。现在广义: 纳米材料是指在三维空间中至少有一维处在纳米尺度范围，或由他们作为基本单元构成的材料。如果按维数，纳米材料可分为三大类：零维：指在空间三维尺度均在纳米尺度，如：纳米颗粒，原子团簇等。一维：指在空间有两处处于纳米尺度，如：纳米丝，纳米棒，纳米管等。二维：指在三维空间中有一维处在纳米尺度，如：超薄膜，多层膜等。因为这些单元最具有量子的性质，所以对零维，一维，二维的基本单元，分别又具有量子点，量子线和量子阱之称。

薄膜材料

问题一：薄膜的结构形态有哪些类型，如何控制薄膜的结构？薄膜结构有三种类型：组织结构、晶体结构和表面结构。（一）组织结构:薄膜的组织结构是指它的结晶形态。四种类型；无定形结构、多晶结构、纤维结构和单晶结构。 1、无定形结构该结构称为非晶结构或玻璃态结构。原子排列:近程有序结构。就是在2—3个原子距离内原子排列是有秩序的，大于这个距离其排列是杂乱无规则的。这种结构显示不出任何晶体的性质。通过降低基体温度、引入反应气体和掺杂方法实现上述条件。如硫化物和卤化物薄膜在基体温度低于77K时可形成无定形薄膜。有些氧化物薄膜(如TiO2、ZrO2、Al2O3等)，基体温度在室温时都有形成无定形薄膜的趋向。在83％ZrO2—l 7％SiO2的掺杂薄膜中，由于两种沉积原子尺寸的不同—形成无定形薄膜。无定形结构薄膜在环境温度下是稳定的。氧化物、硫化物薄膜等—呈不规则的网络结构(玻璃态)；合金薄膜—呈随机密堆积的结构。用衍射法研究时，这种结构在x射线衍射中呈现很宽的漫散射峰，在电子衍射图中则显示出很宽的弥散形光环。 2、多晶结构。多晶结构薄膜—由若干尺寸大小不等的晶粒所组成。在薄膜形成过程中生成的小岛就具有晶体的特征(原子有规则的排列)。由众多小岛聚结形成薄膜就是多晶薄膜。在多晶薄膜中，常常出现一些块状材料中未曾发现的介稳相结构。例的在ZrO2薄膜中常存在着介稳四方相。掺入Y2O3可防止介稳相产生而形成稳定的立方相。 3、纤维结构纤维结构薄膜—晶粒具有择优取向的薄膜根据取向方向、数量分为：单重纤维结构和双重纤维结构。单重纤维结构晶粒只在一个方向上择优取向—一维取向薄膜；在两个方向上有择优取向—二维取向薄膜。非晶态基体:多晶薄膜都倾向于显示出择优取向例如:面心立方结构中[111]表面具有最低的表面自由能，在非晶态基体上这种结构的多晶薄膜显示的择优取向是[111]。六角形密堆积多晶薄膜显示[0001]，体心立方结构的多晶薄膜显示[ 110]择优取向。 4、单晶结构单晶结构薄膜通常是用外延工艺制造。基本条件： A．吸附原子必须有较高的表面扩散速率，所以基体温度和沉积速率就相当重要。 B．基体与薄膜材料的结晶相容性。晶格失配数m值越小，一般地说其外延生长就越容易实现。 C．第三个条件要求整体表面清洁、光滑和化学稳定性好。（二）晶体结构：薄膜的晶体结构是指薄膜中各晶粒的晶型状况。晶体的主要特征是其中原子有规则的排列。薄膜与块体的异同点（相同材料）薄膜中晶粒的晶格结构与块状晶体是相同的。晶粒取向和晶粒尺寸与块状晶体不同。薄膜中晶粒的晶格常数也常常和块状晶体不同。原因：薄膜材料的晶格常数与基体材料晶格常数不匹配; 薄膜中有较大的内应力和表面张力：晶格常数不匹配，在薄膜与基体的界面处晶粒的晶格

K Lu金属中发现超硬超高稳定性纳米层片结构

金属中发现超硬超高稳定性纳米层片结构图1.表面机械碾磨处理在金属镍中形成的超细晶结构(A)和纳米层片结构（B，C）。（D）为镍中不同微观结构的硬度与结构粗化温度关系，纳米层片结构（NL）兼具超高硬度和超高稳定性。对金属材料进行强塑性变形可显著细化其微观组织，使晶粒细化至亚微米（0.1~1微米）级从而大幅度提高其强度。但进一步塑性变形时晶粒不再细化，材料微观结构趋于稳态达到极限晶粒尺寸，形成三维等轴状超细晶结构，绝大多数晶界为大角晶界。出现这种极限晶粒尺寸的原因是位错增殖主导的晶粒细化与晶界迁移主导的晶粒粗化相平衡，其实质是超细晶结构的稳定性随晶粒尺寸减小而降低所致。如何突破这一晶粒尺寸极限，进一步细化微观组织，在继续提高金属材料强度的同时提高其结构稳定性，是当今纳米金属材料研究面临的一个重大科学难题。最近，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家（联合）实验室卢柯研究组在这一科学难题研究上取得重大突破，他们利用自行研发的新型塑性变形技术（表面机械碾磨处理）在金属镍表层成功突破了这一晶粒尺寸极限，获得纳米级厚度并具有小角晶界的层片结构，同时发现这种纳米层片结构兼具超高硬度和热稳定性。这种新型超硬超高稳定性金属纳米结构突破了传统金属材料的强度-稳定性倒置关系，为开发新一代高综合性能纳米金属材料开辟了新途径。研究表明，塑性变形过程中提高变形速率和变形梯度可有效提高位错增殖及储存位错密度，从而促进晶粒细化进程。为此，卢柯研究组利用表面机械碾磨处理在金属纯镍棒表层实现了高速剪切塑性变形，这种塑性变形可在材料最表层同时获得大应变量、高应变速率和高应变梯度。随着距表面深度增加，应变量、应变速率和应变梯度呈梯度降低，形成呈梯度分布的微观结构。在距离表面10~50微米深度形成了具有小角晶界的纳米层片结构，层片平均厚度约为20nm，比纯镍中的变形晶粒尺寸极限小一个数量级，其硬度高达6.4 GPa，远远超过其他变形方式细化的纯镍硬度。测量表明，纳米层片结构的结构粗化温度高达506℃，比同成分材料超细晶结构晶粒粗化温度高40℃。纳米尺度的层片厚度是超高硬度的本质原因，而高热稳定性源于其中的平直小角晶界和强变形织构。这种新型超硬超高稳定性金属纳米结构有望在工程材料中得到应用以提高其耐磨性和疲劳性能，为开发新一代的高综合性能纳米金属材料开辟了新途径。该研究得到科技部国家重大科学研究计划和国家自然基金资助。该研究成果发表于2013年10月18日出版的《科学》（Science）周刊。

纳米材料的特性

目录 1 引言............................................. 错误！未定义书签。 2 纳米材料的概述 (2) 2.1相关概念的介绍 (2) 2.2纳米材料的分类 (3) 3 纳米材料的基本性质 (3) 3.1表面效应 (3) 3.2小尺寸效应 (4) 3.3量子尺寸效应 (4) 3.4宏观隧道效应效应 (5) 4 纳米材料的特殊性能 (5) 4.1力学性能 (5) 4.2 电磁学性能 (6) 4.3 热学性能 (6) 4.4 光学性能 (7) 4.5 分散体系动力学性能 (8) 4.6 化学特性和催化性能 (10) 4.7 生物学性能 (10) 5 纳米材料的应用 (11) 6 我国纳米材料研究的现状和产业化 (12) 参考文献： (13) 致谢 (14)

纳米材料的特性摘要：本文简述了纳米、纳米材料的基本概念，纳米材料所具有的力学、电磁学、热学、光学、分散体系动力学、化学性和催化性、生物学的特性及其在我们的衣、食、住、行各个领域的应用，同时介绍我国纳米材料的研究现状和产业化。关键词：纳米；纳米材料；纳米材料的特性； The characteristics of nano materials Abstract：This paper briefly describes the basic concept of nano and nanometer materials. Nano material has the mechanics, electromagnetism, heat, light, decentralized system dynamics, chemical and catalytic, biology characteristic and in our food, clothing, shelter and transportation all application fields. Meanwhile introducing nanometer material research situation and industrialization in our country.. Key words：Nano ；Nano materials；The characteristics of nano materials