第八章--纳米固体材料的微观结构
纳米晶体se的微观结构特征
纳米晶体se的微观结构特征随着纳米技术的不断发展，纳米晶体材料逐渐成为研究的热点。
其中，纳米晶体Se因其独特的光电性质和优异的电学性能而备受关注。
本文将介绍纳米晶体Se的微观结构特征，探讨其对其性质的影响。
纳米晶体Se的制备方法纳米晶体Se的制备方法主要有溶液法、气相沉积法、热蒸发法、物理气相沉积法等。
其中，溶液法是最简单、最常用的制备方法之一。
一般来说，以硒化钠和硒酸银为原料，在有机溶剂中反应制备纳米晶体Se。
此外，还可以通过改变反应条件、添加表面活性剂等方法来控制纳米晶体Se的形貌和尺寸。
纳米晶体Se的结构特征纳米晶体Se的结构特征主要包括晶体结构、晶格常数、晶粒尺寸等方面。
晶体结构纳米晶体Se具有六方晶系的结构，属于P63/mmc空间群。
Se原子在晶格中呈六方密堆积，形成六边形的环状结构。
晶格中的Se原子与相邻原子之间的距离为2.38。
晶格常数纳米晶体Se的晶格常数与晶粒尺寸有密切关系。
晶格常数随着晶粒尺寸的减小而增大，这是由于晶格表面能的影响导致的。
当晶粒尺寸小于一定值时，晶格常数会出现明显的增大，这是由于表面能的增大导致的。
晶粒尺寸纳米晶体Se的晶粒尺寸一般在2-20nm之间，与制备方法、反应条件等因素有关。
晶粒尺寸的减小会导致材料的光学、电学性质的改变。
此外，晶粒尺寸的变化还会影响材料的力学性能，例如硬度、弹性模量等。
纳米晶体Se的性质纳米晶体Se具有优异的光电性质和电学性能，主要表现在以下几个方面。
光电性质纳米晶体Se的光电性质主要表现在其吸收光谱和荧光光谱中。
纳米晶体Se的吸收光谱在可见光区域有明显的峰值，峰值位置与晶粒尺寸有关。
荧光光谱中也有明显的峰值，峰值位置与晶粒尺寸和表面态密度有关。
此外，纳米晶体Se还具有优异的光致发光性质，可以用于制备光电器件。
电学性能纳米晶体Se的电学性能主要表现在其导电性和电阻率中。
纳米晶体Se的导电性随着晶粒尺寸的减小而增强，这是由于界面效应的影响导致的。
第八章--纳米固体材料的微观结构
8.9
拉曼光谱
当光照射到物质上时会发生非弹性散射，散射光中除有与 激发光波长相同的弹性成分(瑞利散射)外，还有比激发光波波
长的和短的成分，后一现象统称为拉曼(Ramm)效应。由分子
振动﹑固体中的光学声子等元激发与激发光相互作用产生的非 弹性散射称为拉曼散射。拉曼散射与晶体的晶格振动密切相关， 只有对一定的晶格振动模式才能引起拉曼散射。因此用拉曼散 射谱可以研究固体中的各种元激发的状态。
半径。图8.35和图8.36为Δ和L与纳米微晶块体特征参 数的关系。
图8. 35分 别 示 出 了不 同形状晶粒内稳态位错相对 体积Δ与参数Ω和弹性模量 比Г的关系。对同一种结构 被确定的材料，Ω的变化反 映了粒径大小。这样由图 8.35很容易看出，随颗粒尺 寸l减小(即Ω的减小)，稳态 位错的相对体积Δ也下降， 这就意味着，当颗粒尺寸l 小于L时，稳态位错所占体 积大大减小。这进一步说明 在纳米态下，小于特征长度 L的晶粒内，稳态位错密度 比常规粗晶的密度低得多。
(1)点缺陷：包括空位、溶质原子（替代式和间隙式）
和杂质原子等。 (2)线缺陷：位错是这一缺陷类型的主要代表。按照 位错性质划分，位错可分为成刃型，螺型和混合型。 (3)面缺陷：包括层错，相界、晶界、孪晶面等。
8.11.1 位错
20世纪90年代有不少人用高分辨电镜分别 在纳米Pd中已经观察到了位错、孪晶、位错网 络等。这就在实验上以无可争辩的实验事实揭 示了纳米晶内存在位错、孪晶等缺陷，图8.34 示出了纳米Pd晶体中的位错和孪晶的高分辨像。
8.11.2
三叉晶界
三叉晶界在纳米材料界面中体积分数高于常规的多晶材料， 因而它对材料的性质，特别是力学性质影响是很大的。如图 8.37所示，这里需要指出的是他们把整个界面分成两部分，一 是三叉晶界区，二是晶界区。这两个部分的体积总和称为晶间 区体积。
纳米材料的结构与
5，化学反应动力学性质
宏观体系中均相基元反应级数是由化学计量数决定的，速率常数丌随浓。 度和时间而改变，但是，当处于分子筛选内反应物的运动受到诸如： 容器，相界，力场，溶剂等空间阻碍及影响时，反应的动力学显示出 不均相反应丌同的结果。
三，纳米结构测试技术
扫描隧道显微镜 （scanning tunneling microscopy ,STM)
纳米材料的结构与性质
作者：左有鹏，王汪洋 指导教师：黄薇
一，纳米材料的结构
纳米材料是只显微结构中的物相具有纳米级尺寸的材 料。它包含了三个层次：纳米微粒，纳米固体，纳米组装 体系。 （一），纳米微粒 （二），纳米固体 （三），纳米组装体系
1,纳米微粒
纳米微粒是指线度处于1-100nm的粒子的聚合体，它是处于该几何 尺寸的各种粒子聚合体的总称。其形态幵丌局限不球形，还有片状， 棒状，针状，星状，网状等。 纳米微粒的成分可以是金属戒者金属氧化物，非金属氧化物戒者 其他多种化合物。
AFM基本原理
AFM基本原理：在悬 臂梁上装有微反射镜。 AFM是基于原子间力的 理论。它是利用一个队力 敏感的探针探测针尖与样 品之间的相互作用来实现 表面成像的。
AFM 图像
氧化锌表面的AFM图
扫描探针显微镜的意义
SPM形象的被称为纳米科技的“眼”和“手”。 所谓“眼”，即可利用SPM技术直接观察原子，分 子以及纳米粒子的相互作用不特性。 所谓“手”，是指SPM可用于移动原子，构造纳米 结构，同时为科学家提供在纳米尺度下研究新现象，提出 理论的微小实验室。
原子操纵技术（aotmic manipulat质表面的几何构造， 电子性质外，更有一些饶有趣味的应用，原子操纵技术 （aotmic manipulation)便是其一。
材料科学中纳米级微观结构研究
材料科学中纳米级微观结构研究纳米级微观结构研究是材料科学领域中一个重要的研究方向。
随着纳米材料的广泛应用和纳米技术的快速发展，了解纳米级微观结构对于研究材料性质和开发新型材料具有重要的意义。
本文将深入探讨纳米级微观结构的研究方法和应用领域。
首先，我们需要明确纳米级微观结构的概念。
纳米级微观结构指的是材料的微观组织和结构在纳米尺度下的特征。
一般来说，纳米级结构的尺寸范围在1到100纳米之间。
与传统的宏观结构相比，纳米级微观结构具有许多特殊的性质和行为，如巨大的比表面积、量子效应等。
纳米级微观结构的研究面临着挑战，因为纳米级尺寸下的结构往往难以直接观测和表征。
因此，研究人员需要运用一系列先进的实验技术和理论方法来研究纳米级微观结构。
例如，电子显微镜是一种常用的工具，可以用来观察纳米结构的形貌和晶体结构。
透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）是应用最广泛的电子显微镜技术，可以提供高分辨率的图像和详细的结构信息。
此外，X射线衍射（XRD）也是一种常用的实验手段，可以通过分析材料的衍射峰来确定其晶体结构和晶格参数。
原子力显微镜（AFM）则可以在原子尺度下进行表面形貌和力学性质的测量。
近年来，透射电子显微镜中的原子分辨显微镜（STEM）和扫描探针显微镜（SPM）等新兴技术的发展，使得研究人员能够更加准确地观察和测量纳米级微观结构。
纳米材料的纳米级微观结构研究具有广泛的应用领域。
首先，研究纳米材料的微观结构有助于揭示其性质与结构之间的关系。
比如，纳米材料的比表面积较大，可以提高其催化活性和电催化性能，因此对纳米催化剂的结构研究有助于提高其催化效率。
此外，纳米级微观结构的改变也会导致材料的光学、电子和磁学等性质的变化，因此可以通过研究纳米材料的微观结构来调控其性能。
其次，纳米级微观结构的研究在材料设计和合成中也具有重要意义。
通过了解不同结构的纳米材料的相互作用和性质，研究人员可以有助于设计和合成具有特定功能和性能的纳米材料。
纳米材料概论 第八章纳米材料的热学性能
第八章纳米材料的热学性能重点:纳米材料的热学性质及尺寸效应纳米晶体的熔化纳米晶体的热稳定性纳米晶体的点阵热力学性质纳米晶体的界面热力学重点材料的热性能是材料最重要的物理性能之一表现出一系列与块体材料明显不同的热学特性，如：比热容值升高热膨胀系数增大熔点降低纳米材料的热学性质与其晶粒尺寸直接相关Why?材料的热性能是材料最重要的物理性能之一8.1 纳米材料的热学性质及尺寸效应8.1.1纳米材料的热学性质纳米材料的熔点材料中分子、原子的运动行为决定材料的热性能当热载子（电子、声子及光子）的各种特征运动尺寸与材料尺度相当时，反映物质热性能的物性参数（如熔化温度、热容等）会体现出鲜明的尺寸依赖性。
特别是，低温下热载子的平均自由程将变长，使材料热学性质的尺寸效应更为明显。
8.1.2 纳米晶体的热容及特征温度热容是指材料分子或原子热运动的能量Q随温度T的变化率，与材料的结构密切相关。
在温度T时，材料的热容量C的表达式为：若加热过程中材料的体积不变，则测得的热容量为定容热容（CV）；若加热过程中材料的压强不变，则测得的为定压热容（CP）。
晶界的过剩体积ΔV其中，V和V分别为完整单晶体和晶界的体积。
在纳米材料中，很大一部分原子处于晶界上，界面原子的最近邻原子构型与晶粒内部原子的显著不同，使晶界相对于完整晶格存在一定的过剩体积热力学计算表明：纳米晶的热容随着晶界过剩体积的增加而增加，因而亦随着晶界能的增加而增加。
由于高比例晶界组元的贡献，纳米材料的比热容会比其粗晶材料的高。
注意区分：纳米材料定容热容与比热容的特点2、德拜特征温度由固体物理，德拜特征温度的定义为：ωm表征晶格振动的最高频率；kB为玻尔兹曼常数。
纳米晶体材料的德拜特征温度θnc相对于粗晶的θc的变化率Δθnc可由下式给出：目前，对于纳米晶体材料特征温度的减小还无确切解释。
但可见，晶格振动达到最高频率变得容易了。
8.1.3纳米晶体的热膨胀热膨胀是指材料的长度或体积在不加压力时随温度的升高而变大的现象。
微观纳米结构的制备与性能分析
微观纳米结构的制备与性能分析随着科技的不断发展，人们对材料的要求也在不断提高。
微观纳米结构作为一种新型材料，具有越来越广泛的应用前景。
本文将探讨微观纳米结构的制备过程及其性能分析，让读者对其有更加深刻的了解。
一、微观纳米结构的制备微观纳米结构的制备方法有很多，在这里我们将介绍两种经典的方法：溶胶-凝胶法和电化学沉积法。
1. 溶胶-凝胶法首先，制备微观纳米结构需要先制备出凝胶。
凝胶是一种类似于液体却能够凝固成固体态的材料，它的颗粒尺寸与所制备的微观纳米结构大小相当。
制备凝胶的方法有很多种，其中最为常见的是溶胶-凝胶法。
溶胶-凝胶法的基本制备步骤如下：（1）选择合适的前驱物，将其溶解在适当的溶剂中，得到溶胶。
（2）通过适当的处理方式，让溶胶中的前驱物发生溶胶-凝胶转化，得到凝胶。
（3）将凝胶进行热处理，生成所期望的微观纳米结构。
2. 电化学沉积法电化学沉积法是一种通过电极电位来控制金属离子沉积以制备微观纳米结构的方法。
电化学沉积法的基本制备步骤如下：（1）准备含有金属离子的电解液。
（2）选择电极，将其浸入电解液中。
（3）施加电压或电流，使电极表面开始沉积金属。
（4）根据所需的微观纳米结构，调整电解液的成分和电极电位。
二、微观纳米结构的性能分析微观纳米结构的性能分析是评价一种材料的重要手段，其分析的性能指标包括物理、化学、力学等多个方面。
1. 物理性能分析物理性能是微观纳米结构的重要性能指标之一。
它包括热力学性质、光学性质、电磁性质等多个方面。
热力学性质：热力学性质包括热膨胀系数、热导率、比热容等指标。
这些指标反映了微观纳米结构在温度变化等热学环境下的表现。
光学性质：微观纳米结构在光学性质方面表现出色，如表面等离子体共振、局域化表面等离子体共振、表面增强拉曼散射效应等。
电磁性质：电磁性质包括介电常数、磁导率、阻抗等指标。
这些指标反映了微观纳米结构在电磁场中的行为。
2. 化学性能分析化学性能是微观纳米结构的又一个重要性能指标，其分析的内容主要包括化学反应、化学稳定性和化学反应动力学等。
纳米材料的结构和性质
(2)矫顽力
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 Hc．例如，用惰性气体蒸 发冷凝的方法制备的纳米 Fe微粒，随着颗 粒变小饱和磁化强度Ms有所下降，但矫顽 力却显著地增加．
(3)居里温度
居里温度Tc为物质磁性的重要参数．对于薄膜， 理论与实验研究表明，随着铁磁薄膜厚度的减 小，居里温度下降．对于纳米微粒，由于小尺 寸效应和表面效应而具有较低的居里温度． 许多实验证明，纳米微粒内原子间距随粒径下 降而减小．Apai等人用EXAFS方法直接证明了 Ni，Cu的原子间距随着颗粒尺寸减小而减小．
1.纳米微粒的结构与形貌
纳米微粒一般为球 形或类球形 ( 如图 3 所示 ) 。图中 (a，b， c) 分 别 为 纳 米 γAl2O3，TiO2 和 Ni 的形貌像，可以看 出，这几种纳米微 粒均呈类球形．
最近，有人用高倍超高真空的电子显 微镜观察纳米球形粒子，结果在粒子 的表面上观察到原子台阶，微粒内部 的原子排列比较整齐。
(2)扩敢 扩散现象是在有浓度差时，由于微粒热运 动 ( 布朗运动 ) 而引起的物质迁移现象．微粒愈 大，热运动速度愈小．一般以扩散系数来量度 扩散速度，扩散系数 (D) 是表示物质扩散能力 的物理量．表3.1表示不同半径金纳米微粒形成 的溶胶的扩散系数．由表可见，粒径愈大，扩 散系数愈小．
(3)沉降和沉降平衡 对于质量较大的胶粒来说，重力作用是不 可忽视的．如果粒子比重大于液体，因重力作 用悬浮在流体中的微粒下降但对于分散度高的 物系，因布朗运动引起扩散作用与沉降方向相 反，故扩散成为阻碍沉降的因素．粒子愈小， 这种作用愈显著，当沉降速度与扩散速度相等 时，物系达到平衔状态，即沉降平衡．
对纳米微粒吸收带“蓝移”的解释有几种说法， 归纳起来有两个方面； 一是量子尺寸效应，由于颗粒尺寸下降能隙变 宽，这就导致光吸收带移向短波方向． Ball 等 对这种蓝移现象给出了普适性的解释：已被电 子占据分子轨道能级与未被占据分子轨道能级 之间的宽度 ( 能隙 ) 随颗粒直径减小而增大，这 是产生蓝移的根本原因。这种解释对半导体和 绝缘体都适用．
纳米材料的结构及其性能
纳米材料的结构及其性能摘要：介绍了纳米材料的基本概念，纳米材料基本组成单位，四个效应及相关纳米材料的性能。
关键词：纳米材料结构性能20世纪90年代，以前人们从未探索过的纳米物质（Nanostructured materials）一跃成为科学家十分关注的研究对象。
新奇的纳米材料刚刚诞生才几年，以其所具有的独特性和新的规律，如材料尺度上的超细微化而产生的表面效应、体积效应、量子尺寸效应、量子隧道效应等及由这些效应所引起的诸多奇特性能，已引起世界各国科技界及各国政要的高度重视，使这一领域成为跨世界材料科学研究领域的"热点"。
1999年12月14日，美国总统科学和技术顾问委员会（PCAST）致函克林顿，极力推荐美国国家科学和技术委员会（NSTC）的提议，即从2001年度财政预算中开始实施"国家纳米技术推进计划"（National Nanotechnology Initiative--NNI）,引起克林顿的高度重视。
2000年1月2日，克林顿签发执行令，决定将NNI 列为美国科技领域最优先发展的计划，并在2000年度财政预案中专为此项计划追加2.25亿美元，与2000年度相比增加了84%。
美国政府这一举措引起了世界范围的广泛关注，新一轮科技竞争已经在或明或暗的气氛中形成，纳米或纳米技术背后隐藏着的巨大商机开始显现，有资料表明，1999年全球纳米技术的生产值达500亿美元，预计到2010年将达到14400亿美元。
1、纳米和纳米材料纳米是一种长度的量度单位，1纳米（nm）等于10-9米，1nm的长度大约为4到5个原子排列起来的长度，或者说1nm相当于头发丝直径的10万分之一。
在英语里纳米用nano 表示，NANO一词源自拉丁前缀，矮小之意。
纳米结构（nanostructure）通常是指尺寸在100nm以下的微小结构。
纳米材料（nanostructure materials或nanomaterials）是纳米级结构材料的简称。
第八章纳米固体材料的微观结构PPT课件
1
标题添加
点击此处输入相 关文本内容
前言
点击此处输入 相关文本内容标源自添加点击此处输入相 关文本内容
点击此处输入 相关文本内容
2
主要内容
纳米固体的结构特点
纳米固体界面的结构模型
纳米固体界面的X光实验研究
界面结构的电镜观察
穆斯堡尔谱研究
纳米固体结构的内耗研究
19
由表可以看出：对应不同热处理的试样的平均键长（Si—N 键长或Si—Si键长）几乎相同。只有假设颗粒内和界面内平均 键长在一定温度范围内热处理都不发生变化的情况下才能与实 验结果相符合，因此，我们没有理由认为界面中Si—N键长或 Si—Si键长是变化的，原子排列是混乱的，而用 短 程 有 序 来 描 述纳米非晶氮化硅块材界面结构是合理的。
下面我们简述一下自1987年以来描述纳米固体 材料微结构的几个模型。
8
纳米微晶界面内原子排列既没有
纳
类气态模型 长程序，又没有短程序，是一种
米
类气态的，无序程度很高的结构。
固
体
界
面
有序模型 纳米材料的界面原子排列是有序的。
的
结
构 模 型
结构特征 分布模型
纳米结构材料的界面并不是具有 单一的同样的结构，界面结构是 多种多样的。
10
如图8.2所示，非晶体的
原子径向分布概率函数第一
峰对应于最近邻原子分布，
它尖而高，位置与晶体中最
近邻原子间距一致，由峰面
积推算得最近邻原子数也与
晶体的基本一致，表明从最
近邻原子分布看，仍保持晶
体的短程有序性。但随着原
子间距r的增大。概率函数的
峰值变得越来越不显著。说
纳米固体材料
（3）纳米固体材料中的空位
在纳米材料中，界面(包括晶界和三叉晶界)体积分数 比常规多晶大得多，界面中的原子悬键较多，使得空 位、空位团、孔洞等点缺陷增加。 单空位：主要存在于晶界上，是由于纳米固体颗粒在压 制成块体时形成的。 空位团：主要分布在三叉晶界上。它的形成一部分归结 为单空位的扩散凝聚，另一部分是在压块体时形成的。 空位团一般都很稳定，在退火过程中，即使晶粒长大了， 空1）类气态模型 提出：Gleiter教授于1987年提出。 内容：他认为纳米晶体的界面原子的排列，既没 有长程有序，也没有短程有序，是一种类气态 的、无序程度很高的结构。 评价：该模型与大量事实有出入。自1990年以 来文献上不再引用该模型，Gleiter教授也不再 坚持这个模型。
（2）有序模型
纳米固体材料的基本构成：纳米微粒＋它们之 间的界面。 界面的作用：由于纳米粒子尺寸小，界面所占体 积分数几乎可与纳米微粒所占体积分数相比拟， 因此纳米固体材料的界面不能简单地看成是一 种缺陷，它已成为纳米固体材料基本构成之一， 对其性能的影响起着举足轻重的作用。 纳米固体材料界面结构的模型：类气态模型，短 程有序模型，界面缺陷模型，界面结构可变模 型等。
（1）纳米材料中的位错
观点1：纳米材料中存在大量点缺陷，很可能无位错； 即使有位错，位错密度也很低。 原因：位错增殖的临界切应力与F-R源的尺度成反比。 一般来说，F-R源的尺度远小于晶粒尺寸，而纳米材 料中的晶粒尺寸十分小，如果在纳米微粒中存在F-R 源的话，其尺寸就更小。这样开动F-R源的临界切应 力就非常大，粗略估计比常规晶体大几个数量级。这 样大的临界切应力一般很难达到。因此，位错增殖在 纳米晶内不会发生。 观点2：除了存在点缺陷外，纳米晶体内在靠近界面的 晶粒内存在位错，但位错的组态、位错运动行为都与 常规晶体不同。例如没有位错塞积，由于位错密度低 而没有位错胞和位错团，位错运动自由程很短。
纳米材料的制备及其微观结构分析
纳米材料的制备及其微观结构分析随着科技的发展，纳米技术已经成为当今最前沿的领域之一，纳米材料的制备及其微观结构分析也成为了许多科学家关注的热点。
在过去的几十年中，人类已经成功地制备出了各种纳米材料，例如纳米颗粒、纳米管、纳米线、纳米晶等等。
这些材料具有特殊的物理和化学性质，被广泛应用于化工、电子、医药等领域。
本文将介绍纳米材料的制备方法以及其微观结构分析。
一、纳米材料的制备方法纳米材料的制备方法有许多，常见的有物理法、化学法、生物法等等。
下面将分别介绍几种常见的制备方法：1. 物理法物理法是通过物理手段来制备纳米材料。
常用的方法有磨粉法、等离子体法、电弧法等。
其中，磨粉法是最基础的制备方法之一，适用于制备硬质的纳米材料。
其原理是通过磨粉机不断地磨碎原料，使其颗粒大小逐渐减小，最终制备出纳米粉末。
等离子体法是将气体放电产生等离子体，通过气相反应制备纳米材料。
电弧法则是将原料放置于电极间，利用电弧产生高温高压环境进行反应。
2. 化学法化学法是通过化学反应来制备纳米材料。
常用的方法有溶液法、气相法、凝胶法等。
其中，溶液法是最常见的制备方法之一。
它的步骤很简单，只需要将化学反应产生的物质溶解在溶液中，然后通过调控反应条件来制备纳米材料。
气相法则是将化学反应产生的气体送入反应室中，在一定的温度下进行反应。
凝胶法则是通过溶液中的化学反应产生凝胶物质，然后将凝胶进行干燥和高温处理，制备出纳米材料。
3. 生物法生物法是利用生物体（如细菌、酵母等）来制备纳米材料的方法。
通过在生物体内添加一定的原料，可以利用其代谢过程来制备纳米材料，这种方法具有环保、高效、易于操作等优点。
例如，利用海藻提取的胶质物质可以制备出具有生物相容性的纳米材料。
二、纳米材料的微观结构分析纳米材料具有特殊的微观结构，因此需要采用一些高分辨率的技术来对其进行分析。
常见的微观结构分析技术有透射电子显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射等。
1. 透射电子显微镜透射电子显微镜（TEM）是一种基于电子束的高分辨率显微镜。
纳米固体材料的特性及应用
纳米固体材料的特性及应用第一篇：纳米固体材料的特性及应用纳米固体材料的特性及应用摘要本文阐述了纳米固体材料的概念及历史，说明了纳米固体材料的结构和由它引起的特性，介绍了纳米固体材料的各种应用。
关键词：纳米固体材料特性应用纳米材料是目前材料科学研究的一个热点, 是21 世纪最有前途的领域。
由于纳米材料具有特异的光、电、磁、热、声、力、化学等性能, 广泛应用于宇航、国防工业、磁记录材料、计算机工程、环境保护、化工、医药、建材、生物工程和核工业等领域, 其市场前景相当广阔。
目前我国从事纳米材料生产的企业有100 多家, 并建立了几个纳米材料研究基地, 有关科研部门和生产企业还对纳米复合塑料、纳米涂料、纳米橡胶和纤维的改性以及纳米材料在能源和环保等方面的应用进行了深入的研究和开发, 并取得一定的成果。
近年来一些重大的研究成果不断问世, 如成功合成世界最长的碳纳米管, 制成性能优良的纳米扫描显微镜, 合成出高质量的储氢碳纳米材料等, 具有国际领先水平。
我国已能生产铁、镍、锌、银、铜、铝、钴等金属纳米粉和氧化物粉末以及陶瓷粉末等30 多种, 有些产品已达国际先进水平。
中国科学院化学研究所工程塑料国家重点实验室用天然粘土矿物蒙脱土作为分散相, 成功开发以聚酰胺、聚酯、聚乙烯、聚苯乙烯、环氧树脂、聚氨酯等为基材的一系列纳米材料, 并实现了部分纳米塑料的工业化生产。
纳米材料一般分为：纳米微粒、纳米薄膜（多层膜和颗粒膜）、纳米固体。
其中纳米固体材料是一类有广阔应用前景的新型材料,它是由纳米量级的超细微粒压制烧结而成的人工凝聚态固体。
这种材料具有新型的固态结构,其性质与处于晶态或非晶态的同种材料大不一样,因此将它称为纳米固体材料。
1963年，日本名古屋大学教授田良二首先用蒸发冷凝法获得了表面清洁的纳米粒子。
1984年，由德国H.格莱特教授领导的小组首先研制成第一批人工金属固体（Cu、Pa、Ag和Fe）。
同年美国阿贡实验室研制成TiO2纳米固体。
纳米固体材料构
纳米非晶固体界面旳径向分布函数研究
纳米非晶材料因为颗粒组元本身是非晶态旳， 所以它是一种无序程度较高旳纳米材料 。 此类材料 旳界面与纳米微晶材料旳界面有无差别一直是人们 关注旳问题 。 因为电镜观察和x光衍射极难给出此 类构造旳定量数据，所以x光径向分布函数旳试验 研究对了解纳米非晶材料旳微构造显得十分主要 。 纳米非晶氮化硅块体材料旳x光径向分布函数(RDF) 研究给出了这种材料旳平均键长和配位数旳试验数 据，成果如表8.1所示。
XPS(X-ray
photoelectron
spectroscopy,XPS)
X射线光电子能谱:X射线光电子能谱是利用
波长在X射线范围旳高能光子照射被测样品
，测量由此引起旳光电子能量分布旳一种谱
学措施。
它能够给出固体样品表面所含旳元素种类、
化学构成以及有关旳电子构造主要信息...
孪晶是指两个晶体（或一种晶体旳两部分）沿
4.３ 纳米固体界面旳X光试验研究
晶体在构造上旳特征是其中原 子在空间旳排列 具有周期性，即具有长程有序。多晶是由许多取向 不同旳单晶晶粒构成，在每一晶粒中原子旳排列仍 是长程有序旳。非晶态原子旳空间排列不是长程有 序旳，但却保持着短程有序，即每一原子周围旳近 来邻原 子 数与晶体中一样仍是拟定旳，而且这些近 来邻原子旳空间排列方式仍大致保存晶体旳特征。
第4章 纳米固体材料旳微观构造
主要内容
纳米固体旳构造特点 纳米固体界面旳构造模型 纳米固体界面旳X光试验研究 界面构造旳电镜观察 穆斯堡尔谱研究 纳米固体构造旳内耗研究 正电子淹没研究 纳米材料构造旳核磁共振研究 拉曼光谱 电子自旋共振旳研究 纳米材料构造中旳缺陷 康普顿轮廓法
居里温度是指材料能够在铁磁体和顺磁
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
TiO2 拉曼线与晶粒度无关，氧缺位是引起TiO2 拉曼线移的主要
原因。
当纳米材料颗粒尺寸减小到某一临界尺寸其界面组元 所占的体积百分数与颗粒组元相比拟时，界面对拉曼谱的 贡献会导致新的拉曼峰出现。
图8.27 不同热处理的纳米SnO2块体和粗晶试样的拉曼谱曲线。1~7为纳米试 样，1—未热处理；2—473K/873h；3—673K/6h；4—873K /6h; 5—1073K/6h; 6—1323K/6h; 7—1623K /6h; 8—粗晶未处理试样。
(1)点缺陷：包括空位、溶质原子（替代式和间隙式）
和杂质原子等。 (2)线缺陷：位错是这一缺陷类型的主要代表。按照 位错性质划分，位错可分为成刃型，螺型和混合型。 (3)面缺陷：包括层错，相界、晶界、孪晶面等。
8.11.1 位错
20世纪90年代有不少人用高分辨电镜分别 在纳米Pd中已经观察到了位错、孪晶、位错网 络等。这就在实验上以无可争辩的实验事实揭 示了纳米晶内存在位错、孪晶等缺陷，图8.34 示出了纳米Pd晶体中的位错和孪晶的高分辨像。
空位团主要分布在三叉晶界上。它的形成一部
分可归结为单空位的扩散凝聚，也有一部分在压制 成块状试样时形成的。 空洞一般处于晶界上。空洞存在的数量（空洞 率）决定了纳米材料的致密程度。
8.12
康普顿轮廓法
测量X射线或γ射线的康普顿散射是研究物质电子动量分布 的一种直接手段，它被广泛地用于研究多晶、单晶、非晶和合 金等的电子状态。用这种方法研究纳米材料的电子动量分布是 一种新的尝试，并已经取得了一些有意义的结果。
8.10 电子自旋共振的研究
电子自旋能级在外加静磁场H作用下会发生塞曼分裂，如果 在垂直于磁场的方向加一交变磁场，当它的频率满足hע等于塞曼 能级分裂间距时，处于低能态的电子就会吸收交变磁场的能量跃 迁到高能态，原来处于高能态的电子，也可以在交变磁场的诱导 下跃迁到低能态，这就是电子自旋共振(ESR)。由于在热平衡下， 处于低能态的电子数多于处于高能态的电子数，所以会发生对交 变磁场能量的净的吸收。观察到ESR吸收所用的交变磁场的频率 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。
1.康普顿轮廓与电子 动量密度分布的关系 :当γ 光子与物质中的电子发生 康普顿散射时，由于电子 处于运动状态使散射到一 定角度的光子的能量产生 多普勒展宽。图8.38示出 的是光子与运动电子散射 的示意图。
2. 实验装置和数据处理 测量康普顿轮廓的一个典型实验装置示于图8.39，它的 工作原理是：准直的γ射线入射到散射体上，在固定的θ角方 向利用散射线探测器测量散射后的γ光子的能量，从探测器输 出的电脉冲信号经过前置放大器、主放大器放大后，由多道脉 冲幅度分析器记录，最后送计算机处理。
当制备块体样品的压很小时（150MPa），界面经受的畸变不大，随压力 提高，界面畸变增大而形成更多的悬键，使得未成键电子自旋浓度和g值变大。 在界面畸变过程中形成以部分Si—Si3悬键，从而导致ESR信号变的更加不对 称及g的上升。这就解释了为什么在图8.32中1.15GPa压力压制而成的样品的 信号的非对称性略大于径150MPa压力压制而成的样品的ESR信号。
第八章 纳米固体材料的微观结构
姓名：孙玉龙 老师：王成伟 教授 时间：2012.04.28
主要内容
8.9拉曼光谱 8.10电子自旋共振的研究 8.10.1基本概念 8.10.2电子自旋共振研究纳米材料的实验结果 8.11纳米材料结构中的缺陷 8.11.1位错 8.11.2三叉晶界 8.11.3空位、空位团和孔洞 8.12康普顿轮廓法 8.12.1康普顿轮廓与电子动量密度分布的关系 8.12.2实验装置和数据处理 8.12.3纳米材料的康普顿轮廓
为了分析在纳米微晶块体试样中滑移位错稳定
性问题，他引入了两个表征位错稳定性的参数：一
是位错稳定时的相对体积Δ，Δ＝Ve /V，这里V为一 个颗粒的总体积，Ve 为在此晶粒中位错稳定存在的 体积。另一个参数就是上述的特征长度L，又称位错 稳定的特征常数，晶粒尺寸小于它，位错则不稳定。
对于Δ ＝1/2的圆柱形或球形纳米晶粒，L等于它们的
由图可看出，ESR信号对称。g 因子测量结果平均值为2.003。
图8.29 给出了纳米 非晶氮化硅 块体在不同 退火温度下 的ESR曲线。 由图可知ESR 信号1－8均 表现为非对 称，随退火 温度的提高， 对称性有所 改善。
图8.30示出了在不同退火温度下纳米非晶氮化硅g因子 的变化。随热处理温度的提高，g因子下降。当退火温度低于 1300℃时g＞2.003。图8.31示出不同退火温度纳米非晶氮化硅 未成键电子自旋浓度随退火温度的变化。当温度Ta＜1073K时。 自旋浓度随退火温度升高而下降，高于1073K退火时，随退火 温度升高自旋浓度又有所回升。
9.纳米材料结构中的缺陷
10.康普顿轮廓法
化学位移:试样表面某原子因其所处的化学环境与纯 元素不同，会引起内层轨道结合能大小（数值）的 变化，表现为XPS(X射线光电子能谱)谱峰的相应轨 道结合能在坐标上向高或向低结合能方向的位移， 这种现象称为化学位移（chemical shift）; 某一物质吸收峰的位置与标准质子吸收峰位置 之间的差异称为该物质的化学位移（chemical shift），常以δ表示： 化学位移（δ）=【υ样品—υTMS/υ 0 （核磁共振 仪所用频率）】*1000000 式中，υ样品为样品吸收峰的频率，υTMS为四甲基 硅烷吸收峰的频率。由于所得的数据很小，一般只 有百万分之几，故乘以1000000。
8.12.3 纳米材料的康普顿轮廓 目前已经用康普顿轮廓方法研究了多种纳米材的电子动量 分布，并与相应的多晶大块材料进行了比较。现以碳和三氧化 二铝为例作一介绍。
纳米碳粉是将 光谱纯的石墨粉用
球磨机球磨8h制备
的，其平均颗粒度 为2.3nm，用透射电 子显微镜观测到的 粒径分布示于图 8.40。
分别将这种纳米碳粉和多晶石墨粉在0.25GPa的压力下压成直径为 13mm，厚度为5mm的薄片，利用图8.39所示的装置测量由 241 Am放出 。 59.54keV的射线经165 角散射后的射线能谱，经一系列的修正和处理后， 得到纳米碳和石墨的康普顿轮廓J(q)值，见表8.10和图8.41。
用同样的方法研究了纳米Al2O3的电子动量分布。实验结 果如图8.43和表8.11所示；理论计算结果如图8.44所示
结论：
到目前为止，所有的实验结果都显示：在低动量 区纳米固体的J(q)值均比同种材料的大块多晶固体的 J(q)值高，电子动量密度分布I(p)曲线也向低动量方 向移动，对于不同的纳米材料或相同材料但不同颗粒 度的纳米固体，J(q)和I(p)改变的数值不同。这些结 果显示了纳米材料的电子状态与大块固体材料的电子 状态不同，这是纳米材料具有一些特殊性质的重要原 因之一。
纳米材料中晶粒尺寸对位错组态有影响，俄罗斯科学院 Gryaznov等率先从理论上分析了纳米材料的小尺寸效应对晶粒内 位错组态的影响。对多种金属的纳米晶体位错组态发生突变的临 界尺寸进行了计算。他们的主要观点是与纳米晶体的其他性能一 样，当晶粒尺寸减小达到某个特征尺度时性能就会发生突变。 他们通过计算给出了纳米金属Cu，Al，Ni和α—Fe块体的特 征长度，如表8.8所列。由表中可看出同一种材料，粒子的形状不 同使得位错稳定的特征长度不同。
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
生任何移动。而在氧气中进行烧结，谱线明显移动。其次，他
们还在10-4Pa的真空炉中烧结样品，使TiO2→ TiO2-x，这是可以 看到拉曼谱线像开始位置移动，从这两个实验事实可以看到：
由上述分析可以得出：（1）纳米非晶氮化硅悬键数量很大，比微米级氮化 硅高2~3个数量级。 （2）纳米非晶氮化硅存在几种类型的悬键，在热处理过程中以不同形式结 合、分解，最后只存在稳定的Si-SiN3。
8.11 纳米材料结构中的缺陷
缺陷是指实际晶体结构中和理想的点阵结构发 生偏差的区域。按照缺陷在空间分布的情况，晶体 中的缺陷可以分为以下三类。
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来自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 D14 。共有18种振动自由度，除了声学模和非拉曼 4h 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 动频率列于表8.6。
本章小结
一、纳米固体的结构特点
1.类气态模型
二、纳米固体界面的结构模型
2.有序模型 3.结构特征分布模型
1.纳米固体界面的X光实验研究
2.界面结构的电镜观察
3.穆斯堡尔谱研究 4.纳米固体结构的内耗研究
三、有关纳米固体各种实验
5.正电子湮没研究 6.纳米材料结构的核磁共振研究 7.拉曼光谱 8.电子自旋共振的研究
8.9
拉曼光谱
当光照射到物质上时会发生非弹性散射，散射光中除有与 激发光波长相同的弹性成分(瑞利散射)外，还有比激发光波波
长的和短的成分，后一现象统称为拉曼(Ramm)效应。由分子
振动﹑固体中的光学声子等元激发与激发光相互作用产生的非 弹性散射称为拉曼散射。拉曼散射与晶体的晶格振动密切相关， 只有对一定的晶格振动模式才能引起拉曼散射。因此用拉曼散 射谱可以研究固体中的各种元激发的状态。