纳米非晶氮化硅键态结构的X射线径向分布函数研究

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基于XRD的径向分布函数法研究碳纤维制备过程中的结构演变

基于XRD的径向分布函数法研究碳纤维制备过程中的结构演变林雪;王成国;于美杰;徐勇;林治涛;张姗【摘要】The structural evolution of PAN carbon fiber during preparation process was studied by using the X-ray Diffraction and radial distribution function. The results show that the graphite-like structure exists in the PAN fiber, which is the important basis of graphite microcrystalline structure. The nearest neighbor distance of PAN is 0. 688 nm. The third neighboring distances of all carbon fibers are greater than that of graphite, indicating that planar six-member rings of graphene sheet are not formed between 500℃ and 1250℃ . The structure of fibers transforms from long-range order to long-range disorder, and then from short-range order to long-range order during the whole preparation process of carbon fiber.%采用X 射线和径向分布函数研究分析了聚丙烯腈( PAN)基碳纤维制备过程中的结构演变.结果表明,PAN原丝中存在着与石墨类似的结构,该结构是石墨微晶结构形成的重要基础；PAN大分子链最近邻链间间距为0.688nm；碳化温度在500 ～1250℃范围内的碳化纤维中的第三近邻距离均大于石墨晶体的第三近邻距离,表明碳纤维中没有形成平面构型的六元环石墨烯层片；在整个碳纤维的制备过程中,纤维结构经历了长程有序-长程无序、短程有序-长程有序的演变.【期刊名称】《航空材料学报》【年(卷),期】2013(033)001【总页数】6页(P72-77)【关键词】碳纤维;聚丙烯腈;X射线衍射(XRD);径向分布函数;结构【作者】林雪;王成国;于美杰;徐勇;林治涛;张姗【作者单位】山东大学材料液固结构演变与加工教育部重点实验室,济南250061;山东大学山东省碳纤维工程技术研究中心,济南250061;山东大学山东省碳纤维工程技术研究中心,济南250061;山东大学山东省碳纤维工程技术研究中心,济南250061;山东建筑大学材料科学与工程学院,济南250101;山东大学山东省碳纤维工程技术研究中心,济南250061;山东大学山东省碳纤维工程技术研究中心,济南250061【正文语种】中文【中图分类】TQ342+.31聚丙烯腈（PAN）基碳纤维及其复合材料具有高比强度、高比模量、耐热、耐化学腐蚀等优异性能，在航空航天、石油化工、交通运输、体育休闲以及国防军事等领域应用广泛［1，2］。

CsSnI3稳定性的第一性原理研究

㊀第53卷第1期郑州大学学报(理学版)Vol.53No.1㊀2021年3月J.Zhengzhou Univ.(Nat.Sci.Ed.)Mar.2021收稿日期:2020-05-20基金项目:河南省重点研发与推广专项科技攻关项目(182102210516);河南省高等学校青年骨干教师培养计划项目(2017GGJS116)㊂作者简介:陈永生(1976 ),男,副教授,主要从事钙钛矿材料和太阳电池研究,E-mail:chysh2003@㊂CsSnI 3稳定性的第一性原理研究陈永生1,㊀李文标1,㊀刘㊀萍2,㊀杨仕娥1(1.郑州大学物理学院㊀河南郑州450001;2.中原工学院电子信息学院㊀河南郑州450007)摘要:采用基于密度泛函的第一性原理方法,比较了CsSnI 3四种不同结构(α㊁β㊁γ和Y 相)的本征稳定性,并进一步研究了H 2O 分子的插入对两个室温相(γ和Y 相)的影响㊂计算结果表明,在0K 下γ和Y 相具有相对较低的总能量;将一个H 2O 分子插入到γ和Y 相超胞中的插入能分别为-0.52和1.10eV,表明γ相钙钛矿是亲水相,而非钙钛矿结构的Y 相是疏水相㊂差分电荷密度分析结果表明,由于H 2O 分子中的O 原子与Cs +之间的强耦合以及H 原子与I -之间的氢键作用使得γ相结构发生明显变形㊂关键词:钙钛矿;稳定性;第一性原理中图分类号:O469㊀㊀㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀㊀㊀文章编号:1671-6841(2021)01-0102-05DOI :10.13705/j.issn.1671-6841.20201470㊀引言近年来,有机-无机杂化的钙钛矿材料如CH 3NH 3PbI 3等,成为低成本㊁高效率太阳电池制备中的明星材料[1],目前该类太阳电池的光电转换效率达到25.2%[2]㊂然而,由于材料组分中的Pb 具有毒性[3],且有机物质具有高吸湿性和高挥发性[4],一些研究者开始将目光转向无Pb 的无机钙钛矿材料[5]㊂其中用离子半径较大的Cs +替代有机离子,同时用Sn 替代同一主族的Pb 以得到CsSnI 3钙钛矿材料,成为该领域材料设计和制备中的理想选择㊂实验上,以CsSnI 3钙钛矿为光吸收层的薄膜太阳电池已获得了超过10%的光电转换效率[6]㊂研究发现,CsSnI 3材料有四种不同的晶体结构[7],其中三种呈黑色,分别为立方相(α相)㊁四方相(β相)和正交相(γ相)钙钛矿结构,三者之间的相变温度依次为426K 和351K㊂黑色的钙钛矿相具有良好的光电性能,如高的光吸收系数[8]和高的载流子迁移率[9],可用作太阳电池的光吸收层㊂另一种结构的CsSnI 3材料呈黄色,故称为黄相(Y 相)㊂在室温下,当黑色的CsSnI 3薄膜暴露在潮湿的空气中,会很快变为黄色[10],表明CsSnI 3薄膜发生了相变,相变后薄膜的光吸收性能显著下降,这将导致太阳电池器件的性能下降,寿命减少㊂在理论研究方面,Yu 等[11]研究了CsSnI 3三种黑色相的相变温度,预言α相在任何温度都是不稳定的,仅作为一种中间相存在;Silva 等[12]利用准简谐近似研究了四种不同相CsSnI 3的晶格动力学,发现四方和立方结构的钙钛矿相中均出现了软声子膜;Huang 等[13]也报道了CsSnI 3中软声子膜与相变的关系㊂上述工作主要是基于晶体动力学研究了不同温度下各种CsSnI 3结构的稳定性,而有关环境气氛如H 2O 分子或O 2分子对CsSnI 3相变影响的研究则很少[14]㊂因此,本文采用基于密度泛函的第一性原理方法,分别对0K 下α㊁β㊁γ和Y-CsSnI 3结构进行了优化,并计算了包含20个原子的超胞的总能量,以比较不同相的本征稳定性㊂为了进一步研究H 2O 分子对CsSnI 3结构稳定性的影响,分别计算了H 2O 分子在γ和Y 相中的插入能,以及H 2O 分子插入前后晶体结构的变化,并通过计算差分电荷密度分析了H 2O 分子与γ相之间的相互作用,从而可以部分地解释CsSnI 3钙钛矿相在潮湿环境下的不稳定性㊂1㊀模型与参数计算中采用的四种不同相CsSnI 3的晶体结构如图1所示,其中α㊁β和γ相中SnI 6八面体通过共顶点连㊀第1期陈永生,等:CsSnI 3稳定性的第一性原理研究(a)α相;(b)β相;(c)γ相;(d)Y 相㊂图1㊀CsSnI 3的四种晶体结构示意图Figure 1㊀Four crystal structure diagrams of CsSnI 3接形成三维钙钛矿结构,而Y 相中SnI 6八面体通过共边连接形成一维双链非钙钛矿结构㊂图1中四种不同相CsSnI 3的结构参数来自于文献[7,10]的X 射线衍射(XRD)数据㊂文中所有计算均是在基于密度泛函理论(DFT)的维也纳从头计算模拟软件包(Vienna ab-inito simulation package,VASP)[15]中进行的㊂电子间的交换关联能采用广义梯度近似(general gradient approximate,GGA )的PBE (Perdew-Burke-Ernzerhof)泛函[16-17],离子实与价电子间的相互作用采用投影缀加平面波(projector augmented wave,PAW)赝势[18]㊂价电子组态包括Cs 6s 1㊁Sn 5s 25p 2和I 5s 25p 5㊂布里渊区中k 点采用Monkhorst-Pack 网格[19],其中α相为8ˑ8ˑ8,β相为8ˑ8ˑ9,γ相为6ˑ5ˑ6,Y 相为4ˑ6ˑ3,平面波截断能为520eV㊂结构优化时系统能量收敛标准为1ˑ10-5eV,原子间相互作用力最大为0.1eV /nm㊂另外,在结构优化时还考虑了系统间范德华力的相互作用[20],采用以上参数获得了较好的收敛结果㊂2㊀结果与讨论2.1㊀CsSnI 3不同相的稳定性为了比较CsSnI 3不同相的本征稳定性,采用图1中的晶体结构分别构建计算单元,然后对体系进行结构优化,获得0K 下不同相的总能量㊂为了便于比较,需要对α和β相进行扩胞,使得每个计算单元均包含20个原子(即4个CsSnI 3分子)㊂理论上讲,一般体系总能量越低,相应的结构就越稳定㊂CsSnI 3不同相的总能量计算结果为:对称性最高的立方相(α相),在0K 下总能量(-56.18eV)也最高,表明其稳定性最差;其次是四方相(β相),总能量为-56.29eV;γ和Y 相的总能量几乎相同,分别为-56.36eV 和-56.35eV,且明显低于α和β相㊂上述结果与Silva 等[12]关于CsSnI 3不同相形成焓的计算结果是一致的㊂此外,XRD 实验[7]也发现,γ和Y-CsSnI 3可以在室温下共存,而α和β-CsSnI 3只能在更高的温度下存在,四个相的总能量数据能够很好地解释这一实验结果㊂CsSnI 3钙钛矿中高对称的α和β相的不稳定性可能是由于组分离子的尺寸不匹配造成的,ABX 3型三维钙钛矿的结构稳定性可以用容忍因子(τ)[21]来表征,τ=r A +r X 2(r B +r X ),(1)式中:r A ㊁r B 和r X 分别为钙钛矿组分中A㊁B 和X 的离子半径㊂大量研究和经验表明[22-23],结构稳定的ABX 3型钙钛矿的τ值一般为0.78~1.05㊂当τ值接近1.0时,易形成具有等轴晶系的Pm3m 结构;当τ值偏离1.0较多时,通常会形成其他低对称结构㊂CsSnI 3钙钛矿的τ值约为0.9,这表明尽管无机Cs +是尺寸较大的金属离子,但相对于Sn I 八面体间隙而言还是偏小㊂为了稳定Cs +,Sn I 八面体通常会发生旋转或倾斜,甚至Sn +也会偏离立方位置,导致立方钙钛矿结构的变形,进而形成低对称的钙钛矿或非钙钛矿结构㊂2.2㊀H 2O 分子对CsSnI 3稳定性的影响环境湿度是影响大多数钙钛矿材料及其太阳电池稳定性的重要因素之一[10,24]㊂在室温大气环境中,黑色的CsSnI 3薄膜会很快变成黄色,即发生了γ相到Y 相的转变[10]㊂为了进一步探讨H 2O 分子与γ和Y 相CsSnI 3之间的作用,将H 2O 分子分别插入到γ和Y-CsSnI 3晶体结构中,经过结构优化后,计算H 2O 分子插入前后体系的能量,进而计算H 2O 分子的插入能E int ,E int =E tot -E bulk -E water ,(2)式中:E int 是插入能;E water 是一个H 2O 分子的能量;E bulk 是H 2O 分子插入前体系的能量;E tot 是H 2O 分子插301郑州大学学报(理学版)第53卷入后体系的总能量㊂考虑到CsSnI 3材料中H 2O 分子的浓度不宜过大,插入能计算中γ相采用1ˑ1ˑ2超胞,Y 相采用1ˑ2ˑ1超胞㊂上述CsSnI 3超胞中均包含40个原子(即8个CsSnI 3分子),当将一个H 2O 分子插入到上述超胞时,体系中H 2O 与CsSnI 3的分子数之比为0.125㊂H 2O 分子插入前后体系的能量及插入能数据见表1㊂值得注意的是,H 2O 分子在γ相超胞中的插入能为-0.52eV,表明H 2O 分子进入γ相是一个放热过程,而在Y 相中的插入能为1.10eV,则为一个吸热过程㊂插入能的计算结果表明,γ-CsSnI 3是亲水相,而Y-CsSnI 3则是疏水相,这可能正是黑色的γ相CsSnI 3钙钛矿容易受环境湿度影响的重要原因㊂表1㊀H 2O 分子在γ和Y 相CsSnI 3中的插入能Table 1㊀Insertion energies of a water molecule in γand Y-CsSnI 3单位:eV 物相E tot E bulk E water E int γ-127.49-112.72-14.25-0.52Y -125.85-112.70-14.25 1.10㊀㊀图2给出了H 2O 分子插入前后γ和Y-CsSnI 3超胞的优化结构㊂对比图2(b)和(d)可以看出,插入到γ和Y 相中的H 2O 分子的位置和取向均不相同㊂在γ相中,H 2O 分子位于Cs +附近的八面体间隙中,且O 原子靠近Cs +,两个O H 键分别指向附近的两个I -;在Y 相中,H 2O 分子位于双链间隙中,O 原子靠近其中一个I -㊂对比图2(a)和(b)可以看出,H 2O 分子进入γ相后,H 2O 分子周围γ-CsSnI 3超胞的结构明显变形㊂水平方向上两个Sn I Sn 键角分别由158.6ʎ减小至156.6ʎ和151.7ʎ,竖直方向上两个Sn I Sn 键角分别由173.5ʎ减小至162.6ʎ和160.1ʎ㊂同时,这些Sn I 键都不同程度地被拉长,使得H 2O 分子所在的八面体间隙增大㊂而H 2O 分子进入Y 相前后,Y-CsSnI 3超胞中键角和键长的变化则相对较小,如图2(c)和(d)所示㊂(a)插入前γ相;(b)插入后γ相;(c)插入前Y 相;(d)插入后Y 相㊂图2㊀H 2O 分子插入前后CsSnI 3的优化结构Figure 2㊀The optimal structure of CsSnI 3before and after a water molecule insertion 为了分析H 2O 分子与γ-CsSnI 3之间的相互作用,计算了H 2O 分子插入前后γ-CsSnI 3超胞中的差分电荷密度,结果如图3所示㊂从图3可以看出,H 2O 分子附近的Cs +周围的电荷分布发生了明显变化,其中靠近O 原子的一侧失去电子,远离O 原子的一侧得到电子,从而发生极化㊂这是由于H 2O 分子中的O 原子从该Cs +中获得了部分电子,O 与Cs 之间较高的差分电荷密度证实了二者之间存在强的耦合作用㊂另外,在H 2O 分子中的两个H 原子与附近的两个I -之间的区域,电荷分布也有显著变化,表明极性的H 2O 分子与其附近八面体结构中的I -之间存在氢键作用㊂以上计算结果表明,当环境气氛中的H 2O 分子进入到γ-CsSnI 3钙钛矿晶格中后,由于H 2O 分子中的O 原子与Cs +之间的强耦合作用以及H 原子与I -之间的氢键作用,导致γ-CsSnI 3的晶格结构发生明显畸变,使得Cs +周围的八面体间隙增大㊂这种畸变的产生可能会使更多的H 2O 分子进入晶格中,并进一步加剧晶格401㊀第1期陈永生,等:CsSnI 3稳定性的第一性原理研究图3㊀H 2O 分子插入前后γ-CsSnI 3超胞中的差分电荷密度Figure 3㊀Differential charge density of γ-CsSnI 3supercell before and after a water molecule insertion 畸变,甚至导致部分Sn I 键的断裂,从而使CsSnI 3由三维的钙钛矿结构降解为低维的非钙钛矿结构㊂3㊀结论采用基于密度泛函的第一性原理方法,研究了不同结构CsSnI 3的本征稳定性以及H 2O 分子对其稳定性的影响㊂计算结果表明,在0K 下γ和Y 相CsSnI 3具有较低的总能量;将一个H 2O 分子插入到γ和Y 相超胞中的插入能分别为-0.52和1.10eV,说明γ相CsSnI 3钙钛矿具有亲水性;当H 2O 分子插入到γ-CsSnI 3钙钛矿晶格后,O 原子与Cs +之间的强耦合作用以及H 原子与I -之间的氢键作用,使得γ-CsSnI 3的晶格结构发生了明显的畸变,这可能是γ-CsSnI 3钙钛矿在潮湿环境中发生相变的重要原因㊂参考文献:[1]㊀ONO L K,QI Y B.Research progress on organic-inorganic halide perovskite materials and solar cells[J].Journal of physics D:applied physics,2018,51(9):093001.[2]㊀GREEN M A,DUNLOP E D,HOHL-EBINGER J,et al.Solar cell efficiency tables:version 55[J].Progress in photovoltaics:research and applications,2020,28(1):3-15.[3]㊀BABAYIGIT 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structures of CsSnI3(α,β,γand Y phase),and the effect of water mole-cule insertion on two room-temperature phases(γand Y phase)was further investigated.It was founded that the total energies of theγand the Y phase were relatively low at0K.The insertion energies of a wa-ter molecule in theγand Y phase supercells were-0.52and1.10eV respectively,indicating that theγphase perovskite was hydrophilic,while the Y phase of the non-perovskite structure was hydrophobic. Differential charge density analysis showed that obvious deformation of theγphase structure was caused by the strong coupling between O atom and Cs+and the hydrogen bond between H atom and I-.Key words:perovskite;stability;first-principle(责任编辑:孔㊀薇㊀王浩毅)。

1.3纳米微粒的物理特性

•太阳能热水器的真空集热管吸热镀膜涂层，该涂层应具有较高的太阳吸收比和较低的红外发射比，镀膜层太薄影响吸收热量；太厚则红外发射率增高，保温效果差。而目前生产工艺上采用的干涉膜和渐变膜并无优劣之分，只是工艺不同而己，用户很难区别。
隐身：就是把自己隐蔽起来，让别人看不见、测不到。
隐型飞机就是让雷达探测不到，它是在机身表面涂上红外与微波吸收纳米材料来实现的，因为雷达是通过发射电磁波再接收由飞机反射回来的电磁波来探测飞机的。
3、原因
（1）粒子的表面能和表面张力随粒径的减小而增加
（2）纳米微粒的比表面积大（3）由于表面原子的最近邻数低于体内而导致
非键电子对的排斥力降低
必然引起颗粒内部特别是表面层晶格的畸变。
例：有人用EXAFS技术研究Cu、Ni原子团发现，随粒径减小，原子间距减小。Staduik等人用X射线分析表明，5nm的Ni微粒点阵收缩约为2.4%。
四、纳米微粒的光学性质
背景：纳米粒子的一个最重要的标志是尺寸与物理的特征量相差不多。当纳米粒子的粒径与超导相干波长、玻尔半径以及电子的德布罗意波长相当时，小颗粒的量子尺寸效应十分显著。与此同时，大的比表面使处于表面态的原子、电子与处于小颗粒内部的原子、电子的行为有很大的差别，这种表面效应和量子尺寸效应对纳米微粒的光学特性有很大的影响，甚至使纳米微粒具有同样材质的宏观大块物体不具备的新的光学特性。主要表现为以下几方面。
2．蓝移现象
与大块材料相比，纳米微粒的吸收带普遍存在 “蓝移”现象，即吸收带移向短波方向。
例：纳米SiC颗粒和大块SiC固体的峰值红外吸收频率分别是814cm-1和794cm-l。纳米颗粒的红外吸收频率较大块固体蓝移了20cm-1。纳米氮化硅颗粒和大块Si3N4固体的峰值红外吸收频率分别为949cm-l和935cm-l，纳米氮化硅颗粒的红外吸收频率比大块固体蓝移了14cm-1。

纳米材料的特性

纳米相材料在结构上与常规的晶态和非晶态体系有很大的差别，表现为：小尺寸、能级离散性显著、表(界)面原子比例高、界面原子排列和键的组态的无规则性较大等。这些特征导致纳米材料的光学性质出现一些不同于常规晶态和非晶态的新现象。
纳米材料的光学性质
1、宽频带强吸收
大块金属具有不同颜色的金属光泽，表明它们对可见光范围各种颜色(波长)的光的反射和吸收能力不同。而当尺寸减小到纳米级时，各种金属纳米微粒几乎都呈黑色。它们对可见光的反射率极低，而吸收率相当高。例如，Pt纳米粒子的反射率为1％，Au纳米粒子的反射率小于10％。这种对可见光低反射率，强吸收率导致粒子变黑。
纳米微粒具有大的比表面积，表面原子数、表面能和表面张力随粒径的下降急剧增加，小尺寸效应，表面效应、量子尺寸效应及宏观量子隧道效应等导致纳米微粒的热、磁、光、敏感特性和表面稳定性等不同于常规粒子，这就使得它具有广阔应用前景。
§1. 纳米材料的热学性质
1、熔点显著降低
金纳米微粒的粒径与熔点的关系
35nm 15nm 8nm
纳米材料的热学性质纳米材料的熔点降低、烧结温度降低、晶化温度降低等热学性质的显著变化来源于纳米材料的表
（界）面效应。
§2. 纳米材料的光学性质
纳米粒子的一个最重要的标志是尺寸与物理的特征玻尔半径以及电子的德布罗意波长相当时，小颗粒的量子尺寸效应十分显著。与此同时，大的比表面使处于表
纳米材料的光学性质
如图：由不同粒径的CdS纳米微粒的吸收光谱看出，随着微粒尺寸的变小而有明显的蓝移。体相PbS的禁带宽度较窄，吸收带在近红外，但是PbS体相中的激子玻尔半径较大(大于 10nm)，更容易达到量子限域。当其尺寸小于3nm时，吸收光谱已移至可见光区。

第三章纳米材料的特性

（一）纳米材料的结构与形貌ZnO nanotube （一）纳米材料的结构与形貌1D ZnO nanostructures 热学性能电学性能磁学性能光学性能开热学性能开始烧结温度下降开始烧结温度下降TiO2微粒的烧结与尺寸关系纳米颗粒的晶化温度降低电阻特性介电特性压电效应电阻特性纳米金属与合金的电阻Gleiter等对纳米金属Cu，Pd，Fe块体的电阻与温度关系，电阻温度系数与颗粒尺寸的关系进行与常规材料相比，Pd纳米相固体z 随颗粒尺寸减小，电阻温度系Pd纳米固相的电阻温度系数与尺寸的关系例如，纳米银细粒径20nm18nm11nm纳米金属与合金的电阻电阻特性电阻特性介电特性是材料的基本物性•介电常数：•最新的纳米材料微波损耗机制是如今吸波材料分析的一大热点常规材料的极化都与结构的有序相联系，而纳米材料在结构上与常规粗晶材料存在很大的差别．它的介电行为（介电常数、介电损耗）有自己的特点。

介电特性减小明显增大。

在低频范围内远高于体材料。

介电特性目前，对于不同粒径的纳米非晶氮化硅、纳米钛矿、金红石和纳米（个损耗峰．损耗峰的峰位随粒径增大移向高频。

7nm27nm 84nm 258nm介电特性压电效应压电效应纳米压电电子学(Nanopiezotronics)全新研究领域和学科,有机地把压电效应和半导体效应在纳米尺度结合起来高磁化率超顺磁性：当铁磁质的磁化达到饱和之后，如果将外磁场去掉，由于介质中的掺杂内应力阻碍磁畴恢复到原来的纳米微粒尺寸高于超顺磁临界尺寸时通常呈现高的矫顽力右图为用惰性气体蒸发冷凝方法制备的Fe纳米微粒居里温度降低居里温度降低居里温度降低随粒径下降而减小，根据铁磁学，原子间距减小会随着粒径减小而对9nm Ni微粒：高磁化率巨磁电阻效应z 巨磁电阻效应巨磁电阻效应纳米材料磁学特性小结纳米材料光学特性宽频带强吸收粒子的反射率为1％，Au 纳米粒子的反射率小于10％。

纳米氮化硅对红外有一个宽频强吸收谱纳米氮化硅红外光谱Si3N4热压片的红外吸收谱Si-N 键伸缩震动宽频带强吸收吸收光谱的兰移现象吸收光谱的兰移现象激子吸收带吸收光谱的红移现象吸收光谱的红移现象：激子吸收带纳米颗粒发光现象上图曲线1和2分别为掺了粒径大于10 纳米和5纳米的CdSexS1-x的玻璃的光吸收谱，尺寸变小后出现明显的激子峰。

纳米颗粒的物理特性介绍

第三章纳米微粒的物理特性
1
纳米微粒一般为球形或类球形，除了球形外，纳米微粒还具有各种其他形状，这些形状的出现与制备方法密切相关。
例如： • 由气相蒸发法合成的铬微粒，当铬粒子尺寸小于 20nm时，非球形，并形成链条状连结在— 起。-Cr粒子的二维形态为正方形或矩形； • 镁的纳米微粒呈六角条状或六角等轴形。 • Kimoto 和Nishida观察到银的纳米微粒具有五边形10面体形状。
28
表面活性及敏感特性
随纳米微粒粒径减小，比表面积增大，表面原子数增多及表面原子配位不饱和性，导致大量的悬键和不饱和键等，这就使得纳米微粒具有高的表面活性。用金属纳米微粒作催化剂时要求它具有高的表面活性，同时还要求提高反应的选择性。金属纳米微粒粒径小于5nm时，使催化活性和反应的选择性呈特异性行为。
22
光学性能
决定了材料的吸收系数，粒径越小， |U(0)|2越大， f微晶 /V也越大，则激子带的吸收系数随粒径下降而增加，即出现激子增强吸收并蓝移，这就称作量子限域效应。纳米半导体微粒增强的量子限域效应使它的光学性能不同于常规半导体。
23
光学性能
纳米微粒的发光
当纳米微粒的尺寸小到一定值时，可在一定波长的光激发下发光。但对于发光原因的解释不尽统一，且依据不同物质有所不同。如： • 硅纳米微粒发光，Tabagi 认为是载流子的量子限域效应引起的；Brus则认为是硅粒径小到某一程度时，结构的平移对称性消失，导致发光。 • 掺Cd SexS1-x纳米微粒玻璃在530nm波长光的激发下会发射荧光，是因为半导体具有窄的直接跃迁的带隙，在光激发下电子容易跃迁引起发光。
• 纳米微粒颗粒小；
• 表面能高、比表面原子数多； • 表面原子近邻配不全，活性大； • 体积远小于大块材料； • 纳米粒子熔化时所需增加的内能小。

纳米材料的物理化学性能【最新】

第四章纳米材料的物理化学性能纳米微粒的物理性能第一节热学性能※1.1. 纳米颗粒的熔点下降由于颗粒小，纳米颗粒的表面能高、比表面原子多，这些表面原子近邻配位不全，活性大以及体积远小于大块材料的纳米粒子熔化时所需要增加的内能小得多，这就使纳米微粒熔点急剧下降。

金的熔点：1064o C；2nm的金粒子的熔点为327o C。

银的熔点：960.5o C；银纳米粒子在低于100o C开始熔化。

铅的熔点：327.4o C；20nm球形铅粒子的熔点降低至39o C。

铜的熔点：1053o C；平均粒径为40nm的铜粒子，750o C。

※1.2. 开始烧结温度下降所谓烧结温度是指把粉末先用高压压制成形，然后在低于熔点的温度下使这些粉末结合成块，密度接近常规材料的最低加热温度。

纳米颗粒尺寸小，表面能高，压制成块材后的界面具有高能量，在烧结中高的界面能成为原子运动的驱动力，有利于界面中的孔洞收缩，空位团的湮灭，因此，在较低的温度下烧结就能达到致密化的目的，即烧结温度降低。

※1.3. NPs 晶化温度降低非晶纳米颗粒的晶化温度低于常规粉末，且纳米颗粒开始长大温度随粒径的减小而降低。

※熔点降低、烧结温度降低、晶化温度降低等热学性质的显著变化来源于纳米材料的表（界）面效应。

第二节电学性能2.1 纳米金属与合金的电阻特性1. 与常规材料相比，Pd纳米相固体的比电阻增大；2. 比电阻随粒径的减小而逐渐增加；3. 比电阻随温度的升高而上升4. 随粒子尺寸的减小，电阻温度系数逐渐下降。

电阻的温度变化规律与常规粗晶基本相似，差别在于温度系数强烈依赖于晶粒尺寸。

随着尺寸的不断减小，温度依赖关系发生根本性变化。

当粒径为11nm时，电阻随温度的升高而下降。

5. 当颗粒小于某一临界尺寸时（电子平均自由程），电阻的温度系数可能会由正变负，即随着温度的升高，电阻反而下降（与半导体性质类似）.电子在晶体中传播由于散射使其运动受阻，而产生电阻。

※纳米材料的电阻来源可以分为两部分：颗粒组元（晶内）：当晶粒大于电子平均自由程时主要来自晶内散射界面组元（晶界）：晶粒尺寸与电子平均自由程相当时，主要来自界面电子散射•纳米材料中大量的晶界存在，几乎使大量电子运动局限在小颗粒范围。

第二章-纳米微粒的物理化学性质-2012

1990年，日本佳能研究中心的Tabagi发现，粒径小于6nm的硅在室温下可以发射可见光．
(4)纳米微粒的发光
图示为室温下，紫外光激发引起的纳米硅的发光谱．可以看出，随粒径减小，发射带强度增强并移向短波方向．当粒径大于6nm时，这种光发射现象消失．
(4)纳米微粒的发光
Tabagi认为，硅纳米微粒的发光是载流子的量子限域效应引起的．

(5)纳米微粒分散物系的光学性质
(i)散射光强度(即乳光强度)与粒子的体积平方成正比．对低分子真溶液分子体积很小，虽有乳光，但很微弱．悬浮体的粒子大于可见光，故没有乳光，只有反射光，只有纳米胶体粒子形成的溶胶才能产生丁达尔效应． (ii)乳光强度与入射光的波长的四次方成反比，故人射光的波长愈短，散射愈强．例如照射在溶胶上的是白光，则其中蓝光与紫光的散射较强．故白光照射溶胶时，侧面的散射光呈现淡蓝色，而透射光呈现橙红色．
(iii)散相与分散介质的折射率相差愈大，粒子的散射光愈强．所以对分散相和介质问没有亲和力或只有很弱亲和力的溶胶 (憎液溶胶)，由于分散相与分散介质间有明显界限，两者折射率相差很大，乳光很强，丁达尔效应很明显．
(iV)乳光强度与单位体积内胶体粒子数N成正比。
2.2.3
纳米微粒的电学性能
1.纳米晶金属的电导
4
下图为金的熔点与金纳米粒子的尺度关系图。随金粒子尺寸的减小，熔点降低。金的常规熔点为1064℃，当颗粒尺寸减小到2nm时，熔点仅为500℃左右。
纳米材料基础与应用
5
表2-2
物质种类
几种材料在不同尺度大小下的熔点
颗粒尺寸：直径(nm)或总原子数(个) 熔点(K)
金(Au)
锡(Sn) 铅(Pb) 硫化镉 (CdS)

纳米材料的特殊性质

纳米材料的光学性质
激子的分类：
1) 弱束缚激子，亦称Wannier激子。此类激子的电子与空穴之间的束缚比较弱，表现为束缚能小，电子与空穴间的平均距离远大于原子间距。大多数半导体材料中的激子属于弱束缚激子。
2) 紧束缚激子，亦称Frenkel激子。与弱束缚激子情况相反，其电子与空穴的束缚能较大。离子晶体中的激子多属于紧束缚激子。
常规 Si3N4 的烧结温度高于 2273K ，纳米 Si3N4 的烧结温度降低673～773K。
纳米材料的热学性质
3、非晶纳米微粒的晶化温度低于常规粉体
传统非晶氮化硅在1793K 晶化成相，纳米非晶氮化硅微粒在1673K加热4h全部转变成相。纳米微粒开始长大温度随粒径的减小而降低。右图表明 8nm ， 15nm 和 35nm 粒径的 Al2O3 粒子快速长大的开始湿度分别为～ 1073K ，～ 1273K和1423K。
块体半导体与半导体纳米晶的能带示意图
纳米材料的光学性质
2) 表面效应：纳米颗粒大的表面张力使晶格畸变，晶格常数变小。对纳米氧化物和氮化物的研究表明，第一近邻和第二近邻的距离变短，键长的缩短导致纳米颗粒的键本征振动频率增大，结果使红外吸收带移向高波数。
CdSe纳米颗粒的吸收光谱蓝移现象 A.P.Alivisatos, J. Phys. Chem. 100, 13227 (1996)
通常认为，红移和蓝移两种因素共同发挥作用，结果视孰强而定。随着粒径的减小，量子尺寸效应会导致吸收带的蓝移；但是粒径减小的同时，颗粒内部的内应力会增加，而导致能带结构的变化，电子波函数重叠加大，结果带隙、能级间距变窄，从而引起红移。

SiOxNy和SiNx薄膜的结构和光致发光性质研究

苏州大学硕士学位论文SiO<,x>N<,y>和SiN<,x>薄膜的结构和光致发光性质研究姓名：***申请学位级别：硕士专业：材料物理与化学指导教师：吴雪梅;诸葛兰剑20040501苎旦型—生墅坠型业塑旦墨塑塑堂墼墼查丝堕堑筮±皇塑些中文摘要硅氧氮薄膜（ＳｉＯ、Ｎ，）是硅集成电路中重要的钝化膜和介质膜，并在超大规模集成电路中得到了越来越多的应用。

而氮化硅薄膜（ｓｉＮ。

）作为一种表面钝化和绝缘薄膜材料，其优异的物理和化学特性引起了广泛的关注。

所以探寻它们是否具有发光的可能性，从而成为合适的硅基发光材料是十分有意义的。

本论文尝试采用双离子束溅射方法，通过改变有关的工艺参数，制备了两种系列的薄膜：ＳｉＯ。

Ｎｙ薄膜署１１ＳｉＮ。

薄膜，并且在Ｎ２气氛保护下适当对它们进行了不同温度的退火处理，然后进行光致发光（ＰＬ）谱的测试，通过ＸＲＤ，ＸＰＳ，ＦＴＩＲ等测试手段分析了薄膜的结构和表面状况，并与光致发光的结果进行了对比研究。

光致发光（ＰＬ）谱的研究结果表明，在２２５ｎｍ波长的光的激发下，ＳｉＯ。

Ｎ，薄膜的主要发光峰位位于６００ｍｎ（２．０６ｅＶ）。

ＳｉＮ。

薄膜的主要发光峰位位于４７０ｎｍ（２．６ｅＶ），５２０ｎｍ（２．４ｅＶ）年Ｎ６２０ｎｍ（２．０ｅＶ）。

结合光致发光激发谱（ＰＬＥ）和薄膜结构以及退火对发光峰位影响方面的分析，对其可能的发光机理进行了初步的探讨。

认为所制备的ＳｉＯ。

Ｎ，薄膜样品中的发光来源于与Ｎ有关的缺陷，并且根据ＳｉＮ。

的能带结构，我们建立了发光模型来解释了各个发光峰的来源。

关键词：光致发光，双离子束溅射，退火，缺陷态作者：成珏飞指导教师：吴雪梅诸葛兰剑Ｔ—ｈ—ｅ—ｍ——ｉｃ—ｒ—ｏ—ｓ—ｔｒ—ｕ—ｃ—ｔｕ——ｒｅ——ａ—ｎ—ｄ—ｐ—ｈ—ｏ—ｔ—ｏ—ｔ—ｕ—ｍ—ｉ—ｎ—ｅ—ｓ—ｃ—ｅｎ—ｃ—ｅ——ｏ—ｆ—ｓ—ｉ—ｌｉ—ｃ．ｏ—ｎ—ｏ—ｘ—ｙ—ｎ—ｉ—ｔｒ—ｉ—ｄ—ｅ—ａ—ｎ—ｄ．—ｓ—ｉｌ—ｉｃ—ｏ—ｎ——ｎ—ｉｔ—ｒ—ｉｄ—ｅ——ｔｈ——ｉｎ——ｆｉ—ｌ—ｍ—————————————————Ａ—ｂ—ｓ—ｔ—ｒａ—ｃ—ｔ—一ＴｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅｏｆｓｉｌｉｃｏｎｏｘｙｎｉｔｒｉｄｅａｎｄｓｉｌｉｃｏｎｎｉｔｒｉｄｅｔｈｉｎｆｉｌｍＡｂｓｔｒａｃｔＳｉＯｘＮｙａｎｄＳｉＮｘｔｈｉｎｆｉｌｍｓｈａｖｅｄｅｓｅｒｖｅｄｇｒｅａｔａｔｔｅｎｔｉｏｎｄｕｅｔｏｔｈｅｉｒｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌｉｍｐｏｒｔａｎｃｅｆｏｒａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ａｓｗｅｌｌａｓｉｎｏｐｔｉｃｓａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃｓ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｉｔｉｓｉｍｐｏｒｔａｎｔｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｅｉｒｌｉｇｈｔｅｍｉｓｓｉｏｎ．ＴｗｏｓｅｒｉｅｓｏｆｔｈｉｎｆｉｌｍｓｏｆＳｉＯｘＮｙａｎｄＳｉＮｘｗｅｒｅｍａｄｅａｔｒｏｏｍｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｕｓｉｎｇａｄｕａｌｉｏｎｂｅａｍｃｏ—ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍ．ＳｏｍｅｆｉｌｍｓｗｅｒｅａｎｎｅａｌｅｄｉｎＮ２ａｍｂｉｅｎｃｅｆｏｒａｎｈｏｕｒａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ．Ｔｈｅｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ（ＰＬ）ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｗｏｋｉｎｄｓｏｆｆｉｌｍｓｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄ，ｗｈｉｌｅｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｆｉｌｍｓｗａｓｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄｂｙＸＲＤ，ＸＰＳ，ＦＴＩＲａｎｄｓｏｏｎ．ＩｎＳｉＯｘＮｖｆｉｌｍｓ，ａｎｉｎｔｅｎｓｅｓｉｎｇｌｅＰＬｐｅａｋａｔ６００ｎｔｏ（２．０６ｅＶ）ｗａｓｏｂｓｅｒｖｅｄｕｎｄｅｒｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ（Ｅｘ＝２２５ｎｍ）．ＴｈｅｒｅａｒｅｔｈｒｅｅＰＬｐｅａｋｓａｔ４７０ｎｍ（２．６ｅＶ），５２０ｒｉｍ（２．４ｅＶ）ａｎｄ６２０ｎｍ（２．０ｅＶ）ｆｏｒＳｉＮ。

纳米特性

1，纳米材料与常规材料的区别？答：纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料[1] ，这大约相当于10~100个原子紧密排列在一起的尺度。

纳米级结构材料简称为纳米材料(nano material)，是指其结构单元的尺寸介于1纳米～100纳米范围之间。

由于它的尺寸已经接近电子的相干长度，它的性质因为强相干所带来的自组织使得性质发生很大变化。

并且，其尺度已接近光的波长，加上其具有大表面的特殊效应，因此其所表现的特性，例如熔点、磁性、光学、导热、导电特性等等，往往不同于该物质在整体状态时所表现的性质。

2，纳米技术当今发展趋势？答：纳米技术的发展，将给我们的生活带来极大的变化。

自九十年代初开始兴起的纳米技术，可以带来信息、能源、交通、医药、食品、纺织、环保等诸多领域的新变革，大大提升我们的生活质量。

如目前日本出现许多抗菌的日常用品，就是将抗菌物质进行纳米化处理，在生产过程中加进去，抗菌内衣、抗菌茶杯等便生产出来了；如果在玻璃表面涂一层渗有纳米化氧化钛的涂料，那么普通玻璃马上变成具有自己清洁功能的"自净玻璃"，不用人工擦洗了；而电池使用纳米化材料制作，则可以使很小的体积容纳极大的能量，届时汽车就可以像目前的玩具汽车一样，以电池为动力在大街上奔驰了；计算机在普遍采用纳米化材料后，可以缩小成为"掌上电脑"，体积将比现在的笔记本式电脑还要小得多。

普通的材料，通过纳米化处理，更能增添许多神奇特性。

如陶瓷经过纳米化加工，可制成陶瓷弹簧、刀具等；而一些固体变成纳米化微粒后，不仅粘附力增强，还新添了对紫外线光的吸收性质，除了可制成抗掉色的口红，还可开发出防灼的高级化妆品。

此外，利用纳米化材料特殊的磁、光、电等性质，还可以开发出难以计数的新的元器件，在信息工程、生物工程等方面发挥重要作用，从而衍生出新兴的高科技产业群。

纳米技术给我们生活带来的变革，将不亚于电力代替蒸气的变革。

氮化硅微纳米粉制备的新进展

第46卷第2期氮化硅微纳米粉制备的新进展唐艳东马北越(东北大学冶金学院，沈阳110819)摘要：介绍了氮化硅材料的特点及其在生产中的应用,综述了氮化硅微粉的特性与制备研究进展，并特别关注了氮化硅微纳米粉的研究。

对当前氮化硅微纳米粉合成的研究思路进行了一定的剖析与总结，并展望了其未来发展方向。

关键词:氮化硅；微粉；纳米粉；研究进展中图分类号：TQ175.61文献标识码：A文章编号：1673-7792(2021)02-0009-06 Development on preparation of silicon nitride micro-nano powders Tang Yandong Ma Beiyue(School of Metallurgy,Northeastem University袁Shenyang110819袁China)Abstract:In t his paper,the characteristics and application in the production of silicon nitride materials are introduced袁the latest research development about the characteristics and preparation of silicon nitride micro powder are reviewed.Moreover袁the research work of silicon nitride micro-nano powder has been paid special attention.The current research ideas of silicon nitride micro-nano powders are analyzed and summarized袁and the future development trends are prospected.Key words:Silicon nitride；Micro powder；Nano-powder；Research development氮化硅是综合性能优异的结构陶瓷材料，其硬度大，耐磨性好,耐热和抗腐蚀性能良好，且具有优异的抗热震性、抗氧化性以及化学稳定性,高温蠕变小,热膨胀系数小,被广泛应用在冶金、航空航天、电子信息、化工机械以及半导体等行业［|-4］遥自然界中含有大量的氮元素和硅元素,原料价格低廉,容易获取。

氮化硅复合材料的研究进展

２氮化硅粉体的制备方法
氮化硅粉末的制备方法有很多，可归类为固相反应法、液相
１氮化硅陶瓷的基本性质
氮化硅陶瓷是一种共价键化合物，基本结构单元为［ｉｓ，］Ｎ
四面体，硅原子位于四面体的中心，在其有四个氮原子，别位分于四面体的四个顶点，然后以每三个四面体共用一个原子的形式，在三维空间形成连续而又坚固的网络结构。氮化硅的很多性能都归结于此结构。氮化硅有晶体和非晶体之分，晶氮化硅即无定形氮化非
２ＱａｔＩｓｅｔｎＯｆｅＮｒｅｓＧｎｒｌｈｒａｅｔａＦｃｏｙＬａｎｎｈｎａｇ１０２，ｈｎ）ｕｉｐｃｏｆｃ，ｏｈａｔｅｅａＰａｍｃｕｉｌａｔ，ｉｉｇＳｅｙｎ１０６Ｃｉｌｙｎｉｉｔｃｒｏａ
关键词：氮化硅；复合材料；研究进展
ＲｅｅｒｈＰｒｇｅｓｏＳｌｃｎＮｉｒｄｅＭａｒｘＣｏｐｓｔｓｓａｃｏｒｓｎｉｉｏｔｉｔｉｍｏｉｅ
ＳＨＡＯＥｎ—ｙｎ，ＹｉｇＯＵｎＮａ
（ａａｔａｔｙＳｅｙｎａａｎｈｍｉｌｎｕｔｔ．ｉｎｎｈｎａｇ１０４；１ＣｔｙｃＦｃｏ，ｈｎａｇＰｒｆｓｅｃｄｓｙＬｄ，ＬａｉｇＳｅｙｎ１１１ｌｉｒｉｆＣａＩｒｏ
激光法和等离子法的生产规模还相对较小。
硅。对于氮化硅晶体，期曾报道有四方氮化硅，早晶格常数为０＝．４Ａｃ８４Ａ【９２５，＝．８。常见的氮化硅是六方晶系的。有０一ＳＮ【ｉ４和８一ＳＮｉ两种变体。如今又发现第三种晶体形态的立方氮化硅Ｊ。根据目前的认识，氮化硅结构可以分为以下几种：

纳米固体材料的微观结构

通常在微波波段。利用ESR的测量可以了解纳米材料的顺磁中心，未成键电子以及键的性质和键的组态。如何用ESR谱的参数研究纳米材料的微结构，首先需要找出ESR的参数的变化和纳米材料微结构之间的关系。在具体叙述用ESR谱研究纳米材料之前我们先详细介绍
一下ESR谱诸参数的基本概念和物理意义。
基本概念
频率列于表。
应当指出的是，拉曼谱上的拉曼位移为元激发，例如声子的能量，它与相应的晶格振动频率相同。
锐钛矿的拉曼振动模式
锐钛矿属于空间群 D149hI41amd ，每个晶胞中含有两个TiO2 分子，拉曼振动频率列于表
图示出了不同温度烧结纳米TiO2块体的拉曼谱．
关于纳米TiO2与常规TiO2在拉曼谱上表现的差异有两种解释：一是颗粒度的影响；二是氧缺位的影响。Parker认为，氧缺位是影响纳米TiO2拉曼谱的根本原因。他们首先将样品在Ar 气中经过不同温度烧结，晶粒度变长，对应的拉曼谱线不发生
可以通过分析纳米材料和粗晶材料拉曼光谱的差别来研究纳米材料的结构和键态特征。
下面我们以纳米TiO2作为例子详细地叙述一下拉曼光谱在研究纳米材料结构上的应用。
金红石结构的拉曼振动
金红石属于四方晶系，每个晶胞中含有两个TiO2分子，属
于空间群
D
14 4h
。共有18种振动自由度，除了声学模和非拉曼
活性模外，中心对称晶格振动模式A1g，B1g，B2g，Eg属于拉曼活性振动模。它们能引起一级拉曼散射。这些活性模的振动
(1)磁矩，g 因子:电子自旋磁矩µs =2βS，轨道磁矩µl =βL,β 是玻尔磁子，S是电子自旋角动量算符，L是轨道角动量。 g 因子是磁矩与角动量的比，单位用无量纲的玻尔磁子表示。一般来说，g因子直接反映了被测量子对象所包含的自由电子或者未成键电子的状态。对一个复杂的体系，通常实验上测得的g因子是一个平均值，它是多个g因子的张量叠加，因此实验上通常经过线形的分析把一个复杂的ESR信号分解为若干个信号，每一个信号将对应一个特定的g因子，以便对一个复杂体系的微结构进行了解。从g因子的变化也可以来理解纳米微粒或纳米材料结构的特征。

NiTi非晶薄膜的径向分布函数及结构分析

试验与研究NiTi非晶薄膜的径向分布函数及结构分析展西国,单连君,姜训勇,张　建(天津理工大学材料科学与工程学院,天津300191)摘　要:径向分布函数(RDF)是描述非晶态材料结构的重要工具,一般是通过对衍射强度的解析计算得到的。

RAD程序是根据非晶材料X射线衍射数据计算其径向分布函数的集成程序。

介绍了该程序的结构和应用方法,并采用RAD程序计算了采用磁控溅射法制备不同成分Ni Ti合金的径向分布函数,利用径向分布函数计算了非晶微结构参数。

结果表明非晶薄膜中钛含量不同影响了非晶微结构参数。

关键词:非晶薄膜;Ni Ti;径向分布函数;软件中图分类号:TB43;TB383 文献标识码:A 文章编号:100124012(2008)0520223203RADIAL DISTRIBU TION FU NC TION AND T H E STRU C TU R EANAL YSIS O F HOU S Ni Ti FIL MZHAN Xi2guo,SHAN Lian2jun,JIANG Xun2yong,ZHANG Jian (Department of Materials Science and Engineering,Tianjin University of Technology,Tianjin300191,China)Abstract:Radial distribution f unction(RDF)is a important tool to demostrate the microstructure of noncystalline solid.It is usually get f rom analysising the diff raction intesity of noncrystalline solid.RAD is a integrated programe to calcualted RDF f rom diffraction data.The main part of programe and the main step were introduced.The radial distribution f unction of Ni Ti film with different composition were calculated by RAD.The microstructure parameter of amorphous film was obtained from the analysis of the radial distribution f unction.The result show that microstructure parameter of amorphous Ni Ti was influence by the content of Ti.K eyw ords:Amorphous film;Ni Ti;Radial distribution function;Software 非晶态结构中原子排列呈现长程无序、短程有序的特点。

纳米作业及答案完整版

绪论1、什么是纳米科学技术？纳米科技的主要研究内容有哪些？定义：20世纪80年代末期刚刚诞生并正在崛起的新科技，是研究在千万分之一米(10–7)到十亿分之一米(10–9m)内，原子、分子和其它类型物质的运动和变化的科学；同时在这一尺度范围内对原子、分子等进行操纵和加工的技术，又称为纳米技术。

纳米科技的主要研究内容:（1）创造和制备优异性能的纳米材料；（2）制备各种纳米器件和装置；（3）探测和分析纳米区域的性质和现象。

2、纳米材料的定义？按照结构维度划分，纳米材料可以分为哪几类？纳米材料(Nanomaterials)的定义:把组成相或晶粒结构的尺寸控制在1-100纳米范围的具有特殊功能的材料称为纳米材料。

即三维空间中至少有一维尺寸在1-100纳米范围的材料或由它们作为基本单元构成的具有特殊功能的材料。

按结构维度( the number of dimensions）分为5类：(1)0维材料quasi-zero dimensional—三维尺寸为纳米级(100 nm)以下的颗粒状物质。

(2)1维材料—线径为1—100 nm的纤维(管)。

(3)2维材料—厚度为1 — 100 nm的薄膜。

(4)体相纳米材料(由纳米材料组装而成)。

(5)纳米孔材料(孔径为纳米级)3、纳米科技的最终目标是什么？纳米科技的最终目标：直接利用物质在纳米尺度上表现出来的新颖的物理化学和生物学特性制造出具有特定功能的产品。

4、制造纳米产品的技术路线有哪些？制造纳米产品的技术路线可分为两种：―自上而下‖ (top down)：是指通过微加工或固态技术，不断在尺寸上将人类创造的功能产品微型化。

如：切割、研磨、蚀刻、光刻印刷等。

特点：尺寸从大到小―自下而上‖ (bottom up) ：是指以原子分子为基本单元，根据人们的意愿进行设计和组装，从而构筑成具有特定功能的产品，这种技术路线将减少对原材料的需求, 降低环境污染。

如：化学合成、自组装、定位组装等。

C3N4的制备及研究现状

C3N4的制备及研究现状刘玉存，于雁武，陈翠翠中北大学安全工程系，太原（030051）E-mail: lyc2ct@摘要：作为理论预测的超硬新材料，氮化碳可能具有良好的力学、电学、光学性能和广泛的应用前景，其合成和性能的研究引起了各国研究人员的广泛关注，已合成了具有独特性的氮化碳。

目前主要采用化学气相沉积法、物理气相沉积法、高温高压法、脉冲放电与高速冲击法、溶剂热合成和机械合金化法等。

本文对氮化碳的制备方法以及研究现状进行了比较详细的介绍。

关键词：C3N4，制备方法，超硬材料，研究进展中图分类号：TB391．引言近些年，人们在合成新型超硬材料方面取得了明显的进展。

除人工合成了金刚石以外，还成功地合成了立方氮化硼；虽然其硬度低于金刚石，但是所具有的其它性能仍然使其获得了广泛的应用[1]。

另外，类金刚石碳（diamond like carbon）[2~3]的研究也方兴未艾，在保护涂层方面的应用已经成熟。

金刚石具有高硬度的原因在于两个方面：其一是由sp3杂化碳原子所组成的三维框架结构，从几何意义上来讲，这种结构可以说是完美的；其二是结构中的C―C共价键的键长短，键强大。

从这方面考虑，如果存在硬度高于金刚石的晶态物质，它们至少应该具备三维空间的框架结构；原子间的键长也应小于金刚石中的C―C共价键。

C(sp3)―N(sp2)共价键具有较低的离子性，键长也比金刚石中C―C键的键长短；如果碳和氮可以形成价键性质均匀的三维框架结构，就可能具有高于金刚石的硬度。

因此，人们在理论上提出了以β-C3N4为代表的碳氮化合物，并且预测这种材料还可能在很多方面具有独特的性能——基于现有理论对未知物质及其性能进行预测，这也是有史以来的第一次。

2．碳氮共价化合物的制备方法及研究成果2.1 化学气相沉积合成法（CVD）CVD技术主要是利用含有薄膜元素的一种或几种气相化合物或单质、在衬底表面上进行化学反应生成薄膜的方法。

目前主要有电子回旋共振、热丝辅助、直流辉光放电、射频放电、间接微波等离子体-化学气相沉积法等方式。

si3n4功函数

si3n4功函数
【实用版】
目录
1.Si3N4 简介
2.Si3N4 的功函数含义
3.Si3N4 的功函数测量方法
4.Si3N4 的功函数应用
5.总结
正文
1.Si3N4 简介
Si3N4，即氮化硅（Silicon Nitride），是一种无机非晶半导体材料。

它是硅和氮两种元素组成的化合物，具有高硬度、高热导率、高抗磨损和高抗腐蚀等优异性能，因此在工业领域有着广泛的应用，如切削工具、轴承、密封圈等。

2.Si3N4 的功函数含义
Si3N4 的功函数是指在 Si3N4 中，电子从价带跃迁到导带所需的最小能量。

它是一个描述半导体材料导电性质的重要参数，直接影响着材料的导电性能和电子器件的性能。

3.Si3N4 的功函数测量方法
Si3N4 的功函数通常采用扫描隧道显微镜（STM）进行测量。

在测量过程中，STM 的探针与 Si3N4 表面接触，通过测量探针与样品之间的隧道电流，可以得到 Si3N4 的功函数。

4.Si3N4 的功函数应用
Si3N4 的功函数对于其应用领域具有重要意义。

例如，在制备 Si3N4
基电子器件时，需要根据 Si3N4 的功函数设计合适的器件结构，以实现良好的导电性能。

此外，在研究 Si3N4 的光电特性、热学特性以及其与其他材料的界面性质时，也需要了解 Si3N4 的功函数。

5.总结
氮化硅（Si3N4）是一种具有众多优异性能的无机非晶半导体材料。

其功函数是描述其导电性质的重要参数，对材料的应用和相关研究具有重要意义。

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的实际衍射曲线．．
３．衍射强度分析
对于多元非晶态材料，干涉函数，（）可表示如下：
，（）一
¨‘
，
（２）
式中Ｊ（）为平均一个原子的相干散射强度，为波矢的模，其值为一一４￣ｅ＿ｓｌｎｆｌｌ为
纳米粒子不同的新的短程结构．ｓ一Ｎ键长和最近部原于配缸数（ｃＮ）均比传统ｓｉ，Ｎ．小，并存在大量的ｓｉ悬键和不饱和键．纳米彝化硅与传统Ｓｉ，Ｎ．饱和共价键不同，是含有大量非饱和键和悬键的非典型共价毽结构．由于键配位的不饱和特征，纳米非晶氮化硅的分子式应写作ｓｉ，一．Ｎ．一纳米非晶氮化硅出现强极性与非饱和键和悬键有密切的关系．
理的样品，益线较类似．
图２为经过各种修正的全千涉函数．图２中附有Ａｉｙａｍａ等人用ＣＶＤ法制备的块状非晶氮化硅样品的全干涉函数．很明显，纳米非晶氮化硅样品的第一个眸比块状非
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蔡树芝等：纳米非晶氯化硅键态结构的Ｘ射线径向分布函数研究
由表１可以看出：１）各种热处理纳米非晶氮化硅样品的ｓｉ —＿Ｎ键长相同；２）传统晶态和非晶态氮化硅试样的最近邻配位数（Ｎ；ｓ１）（每个Ｎ原子周围的ｓＩ原子数）和（Ｓｉ；Ｎ）（每个ｓｉ原子周围的Ｎ原子数）如下：对晶态（Ｎ；Ｓｉ）一３，（Ｓｉ；
机上进行．
三、实验结果
图１为不同温度热处理６ｈ样品的Ｍｏ靶ｘ射线衍射图．图ｌ中每条曲线出现两个
明显的峰（，）和一些零碎的小峰．第一个峰较低，第二个峰较尖且高．对不同热处
一
、
引
言
纳米氮化硅超缅粉压制、烧结而成的纳米非晶氯化硅固体（粒径约为１０ｎｍ）具有许
多奇异的物理特性．传统晶态ｓｉ，Ｎ为典型无极性共价键结构，而纳米氮化硅却丧现
出与强极性相联系的强压电效应，高电导频率响应和介电常数急剧升高（当频率约为１０４
பைடு நூலகம்
若直接用
作积分上限，则将带来截
止效应，使积分变换之后的原子分布函数上叠加许多鬼峰．为了减弱截止效应，＋Ｅ（６）式
中乘以一个衰减因子ｐ（一，），这样可将积分上限改为ｆ，有
所握供粉采用激光诱导化学汽相沉积（ＬＩＣＶＤ）法制取，基本原理是用反应气体分
子对特定波长激光束的吸收，引起反应气体分子激光光解，激光热解，激光光敏化和激光诱导化学合成反应，在一定工艺条件下获得纳米氮化硅粒子，反应方程如下；
加滤波片滤去额外的辐射，如白噪声和
辐射．用闪烁计数管计数，步进扫描，步长为
００４。，每步计数时间为３０ｓ，扫描总角度范围为３。一１４０。．第一次扫描为有样品时，第二次扫描去掉样品，仅有样品架．两次扫描曲线相减，扣除了样品架等寄生散射，得到样品
（５）
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物
理
学
报
ｒｐ０Ｐ（，）一ｒ２ｐ０＂４－生Ｉ・ｆ［Ｊ（）一！］ｓｉｎ（ｆｒ）ｄｆ．
Ｊ０
（６）
实际计算中的上限仅能达到一个有限值 …
本文用ｘ射线径向分布函数法研究了室温到ｌ０００￣（７；不同退火条件下的纳米非晶氮化硅样品的敲结构和键台特征．观察到占庞大体积百分数界面不是 “ ｇａｓ — ｌｉｋｅ结构，是与非晶
一将（４）式代人（３）式，（３）式可改写成
翰（，）．
（４）
，（）一１＋ｆ４，ｚｐａ【ｇ（，）一１】至
（５）式通过傅里叶变换，可得到ＲＤＦ４ — ｍｇ（ｒ）．
打．
结构是否存在 “ ｇａｓ — ｌｉｋｅ？为了搞清上述问题，本文用ｌ射线径向分布函数（ＲＤＦ）法研究了纳米非晶氮化硅的配位数（ｃＮ），ｓｉ —Ｎ，ｓｉ —ｓｉ键长及怍为纳米固体重要构成的界面组元内键合特征，并在此墓础上进一步讨论纳米态氮化硅强极性产生的原匠
位）和最近邻原子配位数ＣＮ，连同第二个峰的峰位列于表１．
ｓ【置一）
圈ｌ不同热处理温度下纳米非晶掘化硅块状样昌岣Ｍ０靶ｘ射线衍射图图２经修正后的不同温度热处理的蚋米非晶彝【化硅块状掉品的全干涉函数
衍射曲线１０（）一ｆ经偏振，吸收修正，并进行标准化处理和扣除非相干散射强度得到的
，．（ｆ）及（２）式得到．
积分采用等步长辛生近似求积分式，等步长 △ 取值为０．０５＾＿。，计算在ＩＢＭ微
二、实
１．样品伽鲁
验
本实验用的纳米非晶氮化硅粉末（约为ｌＯａｍ）由中国科学院安徽光学精密机械研究
～
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蔡树芝等：纳米非晶氯化硅键态结构的Ｘ射线径向分布函数研究
Ｈｚ时）．纳米氮化硅的键结构与传统Ｓｉ，Ｎ＋有何区别？纳米态键合有何特征？这些问
题急待深入研究．Ｇｌｅｉｔｅｒ指出，金属纳米固体占庞大比例的界面内愿子排列状态无序的ｇａｓ — ｌｉｋｅ结构是决定纳米尺寸材料优良性质的重要因素．最近，ｌｓｈｉｄａ等人对纳米金属界面结构进行了电于显微镜观察后指出，界面不是 “ ｇａｓ — ｌｉｋｅ ” 结构，而是短程有序的．对于非金属纳米材料的界面结构尚来见报道．纳米非晶氮化硅庞大比倒界面的键
＾ｐ．
３Ｓｉｌ＋＋４ＮＨ｜ —一ｓｉ，Ｎ‘ ＋１２Ｈ２．
（ ’ ）
将制得的氮化硅纳米粉末在１５０ＭＰａ的压力下压成直径为１３ａｍ，厚度约为Ｏｒ．６ｎｍ的小圆片．压时保压１ｎ：ｉｎ，压后样品的密度约为１．２１５ｇ／Ｃｍ＋ｏ然后部分样品在真空下（约为１０－ｔｏｒｒ）分别经２０Ｏ￣Ｃ、６００￣Ｃ、８００ ℃、１００Ｏ ℃，６ｈ烧结．
ｎ
．
ｃｖＤ非晶
Ｎ）一４，对非晶态ｎ（Ｎ；Ｓｉ）一２．９１，（ｓｉ；Ｎ）一
３８７（当，ｏｏ一２．８７ｇ／ｃｍ时）．本实验得到的纳米非晶氮化硅块状样品的ｓｉ — Ｎ配位数
Ｘ射线径向分布函数研究
蔡树芝
张立德
中国再军
牟季美
程本培
中国科学裹； ∈ 军；两科学与工程系，音肥２３００２６
：石研究所，音肥２３００３１
１９９１年１０月１７日收到
）一＋ｆ０４ｗｒｌＰ￣
式中
原子相距，处找到ｊ种原子的几率密度．总的双体分布函数可表示如下：
）．１］
（３）
为平均原子密度，ｇ，）为部分双体分布函数，它表示单位体积中在种参考
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第 ● １卷第ｌ０期１９９２年１０月
Ｌ
物
理
学
报
Ｖｏ１．４１．Ｎｏ．ｉ０ｏｃｔ．．１９９２