光电器件表面的图形化纳米金属
A two-dimensional nanopatterned thin metallic transparent conductor with high transparency from the ultraviolet to the infrared
Qing Guo Du, Krishnan Sathiyamoorthy, Li Ping Zhang, Hilmi Volkan Demir, Chan Hin Kam et al.
Citation: Appl. Phys. Lett. 101, 181112 (2012); doi: 10.1063/1.4765341
View online: https://www.wendangku.net/doc/1312799608.html,/10.1063/1.4765341
View Table of Contents: https://www.wendangku.net/doc/1312799608.html,/resource/1/APPLAB/v101/i18
Published by the American Institute of Physics.
Related Articles
Near-field simulation of obliquely deposited surface-enhanced Raman scattering substrates
J. Appl. Phys. 112, 113111 (2012)
Characterization of Ru thin-film conductivity upon atomic layer deposition on H-passivated Si(111)
J. Appl. Phys. 112, 113517 (2012)
Optical response in subnanometer gaps due to nonlocal response and quantum tunneling
Appl. Phys. Lett. 101, 233111 (2012)
Determination of optical properties of percolated nanostructures using an optical resonator system
J. Appl. Phys. 112, 103536 (2012)
Experimental investigation of photonic band gap influence on enhancement of Raman-scattering in metal-dielectric colloidal crystals
J. Appl. Phys. 112, 084303 (2012)
Additional information on Appl. Phys. Lett.
Journal Homepage: https://www.wendangku.net/doc/1312799608.html,/
Journal Information: https://www.wendangku.net/doc/1312799608.html,/about/about_the_journal
Top downloads: https://www.wendangku.net/doc/1312799608.html,/features/most_downloaded
Information for Authors: https://www.wendangku.net/doc/1312799608.html,/authors
Downloaded 02 Jan 2013 to 139.179.66.197. Redistribution subject to AIP license or copyright; see https://www.wendangku.net/doc/1312799608.html,/about/rights_and_permissions
A two-dimensional nanopatterned thin metallic transparent conductor with high transparency from the ultraviolet to the infrared
Qing Guo Du,1,2Krishnan Sathiyamoorthy,1Li Ping Zhang,2Hilmi Volkan Demir,1,3
Chan Hin Kam,1,a)and Xiao Wei Sun1,b)
1LUMINOUS,Center of Excellence for Semiconductor Lighting&Displays,School of Electrical and
Electronic Engineering,Nanyang Technological University,Nanyang Avenue,Singapore639798,Singapore
2Institute of High Performance Computing,1Fusionopolis Way,#16-16Connexis North,Singapore138632
3Department of Electrical and Electronics Engineering,Department of Physics,and
UNAM–National Nanotechnology Research Center,Bilkent University,Ankara06800,Turkey
(Received7February2012;accepted18October2012;published online1November2012)
The optical properties of a two-dimensional nanohole patterned aluminum thin?lm in hexagonal
lattice are studied.The transmission dip can be moved out from the visible range by manipulating the
lattice constant.The resulting nanopatterned thin?lm is demonstrated to exhibit a high transparency
in a wide wavelength range.The origins of the transmission dip and the transmission drop are
explained.For constant resistance,thicker?lms with a larger?lling ratio lead to better transmittance
in the visible range.Angular response of the nanopatterned metallic?lm is also analyzed,and
transmittances using several other metals are compared.V C2012American Institute of Physics.
[https://www.wendangku.net/doc/1312799608.html,/10.1063/1.4765341]
Transparent conductors(TCs)are essential components of modern optoelectronic devices,including solar cells,?at panel displays,and light emitting diodes(LEDs).Most of the optoelectronic devices having a TC are fabricated on indium tin oxide(ITO)coated substrates because of the relatively high transparency of ITO in the visible range and its low sheet resistance.However,ITO is costly because of the limited source of indium.1Moreover,ITO is brittle for devices on?ex-ible substrates.1Due to these disadvantages of ITO,research-ers are now seeking alternatives,which include metallic nanogratings,2–5metallic nanomeshes,6,7ultra thin metallic ?lms,8,9carbon nanotube networks,10,11and graphenes.12–14 It is known that,thanks to surface plasmon polariton (SPP),the transmission enhancement of optically thick nano-patterned metal?lms can be realized.15,16However,the enhancement is only in a narrow wavelength range.This cannot be applied to optoelectronic devices that need high transparency in a wide wavelength range such as?at panel displays and solar cells.When the?lm thickness of nanopat-tered metallic?lms is within a few or tens of nanometers,the optical properties become quite different from those of the optically thick metallic?lms.One-dimensional(1D)nano-patterned thin metallic?lm has been studied both theoreti-cally and experimentally.2–5,17For the two-dimensional(2D) case,the studies are mainly focused on the transmission sup-pression in a narrow wavelength range where high optical transmission is anticipated.18–20There already have a few experimental papers trying to fabricate2D nanopatterned metallic electrodes.21,22Unfortunately,the transmittance is not high enough in a wide wavelength range.Till now, there is no theoretical analysis on the optical properties of 2D nanopatterned metallic thin?lms that can be used as a potential candidate for TC over a wide spectral region.In this letter,we report that high transparency in a wide wave-length range from ultraviolet(UV)to infrared(IR)with a rel-atively low sheet resistance can be achieved in metal thin ?lms with a hexagonal lattice nanohole array.
Inset of Fig.1(a)shows the schematic of the2D nano-hole patterned metallic thin?lm for the study.The nanopat-terned metallic thin?lm structure is arranged in the x-y plane with a hexagonal lattice and surrounded by air.Light is directly incident on the?lm along the z direction.Periodic boundary conditions are used in the x,y directions and perfectly match layer(PML)boundary condition is used in the z direction.The simulation region is chosen in one
unit FIG.1.(a)Average transmittance from0.3l m to1.0l m of different sheet resistance with various f,a and h are?xed at400nm and20nm,respec-tively.Inset shows the schematics of2D nanohole patterned metallic thin ?lm arranged in hexagonal lattice.Left side shows the3D view and right side shows the top view of the nanopatterned structure.Simulation area of one unit cell is indicated with the red dashed line.(b)Transmittance and absorption,and(c)re?ection spectra of the nanohole Al thin?lm for various lattice constants with f?0.8and h?20nm.(d)Transmittance spectra of the nanohole?lms with different thicknesses,while keeping their sheet resist-ance constant.
a)Electronic mail:echkam@https://www.wendangku.net/doc/1312799608.html,.sg.
b)Author to whom correspondence should be addressed.Electronic mail:
exwsun@https://www.wendangku.net/doc/1312799608.html,.sg.
0003-6951/2012/101(18)/181112/4/$30.00V C2012American Institute of Physics
101,181112-1
APPLIED PHYSICS LETTERS101,181112(2012)
cell within one period in the x and y directions indicated by the dashed line in the inset in Fig.1(a).The top view of the unit cell is shown in right side of inset in Fig.1(a).The lattice constant is indicated as a ,the radius of nanohole is represented by r ,and the ?lm thickness is h .The ?nite-difference time-domain (FDTD)method is employed for all spectra calculations using Lumerical FDTD Solutions,a commercial FDTD software package.
Before analyzing optical properties of the nanopatterned metallic thin ?lm,the other important parameter which should be considered is the sheet resistance because a good candidate for TCs needs both high transparency and low sheet resistance.The sheet resistance of a uniform metallic thin ?lm is given by R sh ?1/(r *h )?q =h ,where r and q are the metal conductivity and resistivity,respectively,and h is the ?lm thickness,with a unit of X /sq.In the case of a 2D nanohole array structure,according to the percolation theory,the large scale effective conductivity is written as r c ?r 0(/f à/crit )t ,23,24where r c is the conductivity of the patterned structure,r 0is the conductivity of the conductor,/f is the volume fraction of the patterned conductor,/crit is the perco-lation threshold where the conductivity of the patterned structure is zero,and t is the critical exponent.The volume fraction of the patterned conductor /f here can be simpli?ed as (1àf )where f is the nanohole ?lling ratio in one period de?ned as f ?2p r 2=???3p a 2
(the area ratio of void region and the whole unit cell).Here,for a 2D hexagonal hole patterned
case,/crit ?e1àp 2??3
p T,where neighboring holes are just in contact with each other (r ?a /2).According to Ref.23,we chose t ?1.1.
Without loss of generality,we chose aluminum (Al),a cheap yet commonly used metal for the study here.The re-sistivity of Al is q ?2:9?10à8eX m T.Fig.1(a)shows the relationship of the sheet resistance with average transmit-tance from 0.3l m to 1.0l m with a ?400nm and h ?20nm by changing the hole ?lling ratio f .When the sheet resistance is small which means the hole is relatively small,it is obvious that the transmittance is low.Below 10X /sq,with the increase of the sheet resistance,the transmittance increases rapidly.When the sheet resistance is larger than 10X /sq,the transmittance increases only slightly.From Fig.1(a),it is shown that when the sheet resistance of the nanohole patterned Al thin ?lm is larger than 8.4X /sq,the average transmittance is larger than 80%.For ITO,normally the sheet resistance is around 10–20X /sq with transparency around 80%.25This indicates that the nanohole patterned Al thin ?lm has comparable performance compared with ITO thin ?lm.To obtain a reasonable sheet resistance,in the optical properties study below,we ?xed f ?0.8with R sh ?18.53X /sq which is reasonable for an electrode.
Fig.1(b)shows the transmittance and absorptance spec-tra and Fig.1(c)depicts the re?ectance spectra separately for clarity,all over the spectral range from 300nm to 1l m for various lattice constants when the incident light is normal to the metallic thin ?lm along the z direction.The transmittance changes with variation of the lattice constant from 600nm to 200nm.The highest transmittance for all different lattice constants is larger than 85%and close to unity at some spe-ci?c wavelength for a ?600nm.In the wavelength range shorter than 500nm,there is a transmission dip.When the
lattice constant is larger (for example,a ?600nm),the dip is in the visible range in which we are most interested,and the transmission in the long wavelength range is relatively higher than in the other ranges.When the lattice constant decreases,the dip is blue-shifted,and the transmission in the long wavelength range only decreases slightly.
By manipulating the lattice constant,we can move the dip out of visible range,although the transmission in the long wavelength range also drops.Two reasons are attributed to the transmission dips at short wavelengths.One is the enhanced re?ectance around the dip,which can be veri?ed by the re?ectance in Fig.1(c).The re?ectance at the trans-mission dip is larger than that of other wavelengths.The other one is the absorptance enhancement at the same wave-length as shown in Fig.1(b).Additionally,for all the ?lms of different lattice constants,there is a continuous transmittance drop after the maximum transmittance and reaches the next lower level at around 830nm.This is due to interband transi-tion absorption of Al.6Furthermore,this absorption peak is found to be slightly blue-shifted when the lattice constant is decreased.The wide high transparency wavelength range makes the 2D nanohole patterned metallic thin ?lm arranged in hexagonal lattice more suitable for TC applications.
From the sheet resistance perspective,the in?uence of the hole radius and ?lm thickness on transmittance is ana-lyzed with the sheet resistance kept constant.Obviously,when the ?lm thickness is reduced,the nanohole radius needs to be reduced to maintain a constant resistance.To study the effects of h and f on the transmittance,the spectral relation-ship of transmittance for 4different thicknesses (h ?10nm,15nm,20nm,25nm)of the thin ?lms is plotted in Fig.1(d)with the sheet resistance kept unchanged.Here,the lattice constant is ?xed at a ?400nm.The transmittance is the low-est for h ?10nm,here small h and small f do not lead to bet-ter transparency.The transmittance is only slightly different for large h and large f when the optical wavelength is longer than 450nm.For the wavelength shorter than 450nm,the transmittance ?rst increases with the increasing h (up to 20nm),and then decreases slightly (up to h ?25nm).The maximum amplitude transmission in this range is achieved when the thickness of the metal ?lm approaches SPP skin depth,which is given by
d ?
1Im ek z T?c x 1
Im e?????e m p T
;(1)
where k z and e m are the imaginary refractive index and dielec-tric constant of the metal,respectively,and c is the velocity and x is the frequency of the light.26For example,the calcu-lated SPP skin depth at the surface plasmon resonance fre-quency of 856.55THz (350nm)is 23nm.The imaginary value of the complex refractive index of Al at 856.55THz is 4.274.As the thickness of the Al layer is close to the skin depth,SPP modes that are excited on both air-metal sides of the Al ?lm are coupled via evanescent waves and form coupled SPP modes,which boost the total transmission signi?-cantly.Besides,an increased absorption peak at 350nm is observed due to the interaction of the front and back SPP waves within the metal medium during SPP propagation.The 25nm thick Al ?lm shows slight a decrease in the transmission
as the coupling between SPP modes that are excited on the ei-ther side of the Al ?lm is not as strong as that for 20nm thick Al case,due to the fact that its ?lm thickness is greater than the skin depth.
Filling the air holes with some commonly used dielec-trics and organics (e.g.,silicon oxide (SiO 2),silicon nitride (Si 3N 4),and Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)poly(styrene-sulfonate)(PEDOT:PSS))is studied.Fig.2(a)shows the transmittances of ?lled Al electrode.The transmittance of a thin ?lm with 20nm thickness is also presented as a refer-ence.All the ?lled nanostructures have the same lattice con-stant,?lling ratios,and thicknesses as the optimized un?lled metal nanostructures.For nanostructure ?lled with SiO 2,the transmittance is higher than that of the air hole ?lled nano-structure in long wavelength range from 500nm,but in the short wavelength range,the transmittance is lower.For nano-structure ?lled with Si 3N 4with refractive index larger than SiO 2,there is a signi?cant drop in the short wavelength range.The transmittance of PEDOT:PSS is similar to that of the nanostructure ?lled with SiO 2.The transmittance of the Al thin ?lm is extremely low and most of the light has been re?ected.The substrate effect on the transmittance is also studied (Fig.2(b)).When a SiO 2substrate (glass)is used,the transmittance in short wavelength range is further dropped,but the transmittance in the long wavelength range is little in?uenced and remains high.The in?uence on the transmit-tance for hole-?lling (with SiO 2)of the Al nanoelectrode on glass is not signi?cant,which is similar to the substrate-free case in Fig.2(a).
The angular dependence of the transmittance of the nano-patterned Al thin ?lm for both transverse-electric (TE)and transverse-magnetic (TM)polarizations is studied.Here,the TM polarization is as the case when the magnetic ?eld is in the x direction and TE polarization is de?ned as the case when the magnetic ?eld is in the y direction.The structure pa-rameters are ?xed at a ?400nm,f ?0.8,and h ?20nm.Detailed relationship between transmittance spectrum and incident angle is shown in Fig.3.For clearance,only the transmittance of 10 ,30 ,and 60 of incident angle is plotted.For TE polarization as shown in Fig.3(a),with the increase of the incident angle,the transmittance decreases in short wavelength range and increases in long wavelength range.For TM polarization as shown in Fig.3(b),the transmittance drops in the whole wavelength range when the incident angle increases.The drop is more signi?cant in the long wavelength
range.Fig.4(a)shows the average transmittance spectra from 300nm to 1.0l m of TM and TE polarization,respectively.For TE polarization,the average transmittance remains high even when the incident angle is increased to 60 ,while the average transmittance of TM polarization drops to 60%.
For some applications,we may need to vary the work-function of the TC.As such,we studied the transmittance of 2D hexagonal lattice nanohole arrays made of different met-als (aluminum (Al),silver (Ag),gold (Au),and nickel (Ni)),as shown in Fig.4(b).For different metals,the optimized parameters are the same,i.e.,a ?400nm,f ?0.8,and h ?20nm.Detailed spectra optimizations for different met-als are not shown here.For Ag and Au nanopatterned thin ?lms,the transmission dip cannot be moved out from the visible range because the dip tends to have a red shift when the lattice constant is reduced.17However,the transmittance in the long wavelength range is much better than that of other metals.The Ni ?lm has a ?atter transmission spectrum for the wavelength range from 300nm to 1.0l m but the av-erage transmittance is relatively low.Al nanostructure has the best transmittance in the visible range among the four.
One of the immediate tools of fabricating the aluminum nanostructure is the electron beam lithography (EBL).27The drawback is that it is costly and not ef?cient to fabricate large area metallic transparent electrode.Another method is the polymer sphere (PS)lithography which is much cheaper than EBL.22But PS assembly is a bottom-up process,there may be defects generated.The third method is the anodiza-tion,again it is a self-assembly method,which is prone to generated defects.28The generated defects may have effect on the transmittance.24The in?uence of defects on conduc-tivity is negligible.As the optimized dimension of the metal structure is more than 20nm,electron mean free path is 14nm for aluminum at room temperature,hence scattering can be ignored.
29
FIG.2.(a)Transmittances of the nanohole Al thin ?lm for various ?lling materials (SiO 2,Si 3N 4,and PEDOT:PSS)and a Al thin ?lm with the same thickness.(b)Transmittances of the nanohole Al thin ?lm with air hole,with SiO 2?lled holes only,with SiO 2substrate only,and with both SiO 2?lled holes and substrate.Structure parameters are ?xed at a ?400nm,f ?0.8,and h ?20
nm.
FIG.3.Transmission spectra for (a)TE and (b)TM polarizations with incident angle of 10 ,30 ,and 60 .The structure parameters are ?xed at a ?400nm,f ?0.8,and h ?20
nm.
FIG.4.(a)Average transmittance for TE and TM polarizations VS.the inci-dent angle of the structure as in Fig.3.(b)Transmission spectra of the struc-tures made of metal materials Al,Ag,Au and Ni.The structure parameters are chosen as a ?400nm,f ?0.8and h ?20nm for all metal materials here.
In conclusion,the2D patterned Al thin?lm with a hex-agonal lattice enables a high transparency for a wide wave-length range from UV to IR.By manipulating the lattice constant a,the transmission dip can be moved out from the visible range.The transmission dip results from the enhance-ment of re?ectance and absorptance.The continuous trans-mittance drop following the maximum transmittance stems from the increasing evanescence of the light.When the sheet resistance is kept constant,larger h and larger f lead to a higher transmittance level over the wide spectral region.TE polarization allows for a better angular transmittance than TM https://www.wendangku.net/doc/1312799608.html,pared to other nanopatterned metallic ?lms,nanopatterned Al thin?lm yields the best transmission spectrum in the visible wavelength range.
This work was supported by Agency for Science,Tech-nology and Research(A*STAR)of Singapore under Grant Nos.0921510088and0921010057,and Singapore National Research Foundation under Grant Nos.NRF-RF-2009-09 and NRF-CRP-6-2010-2.
1Z.Chen,B.Cotterell,W.Wang,E.Guenther,and S.J.Chua,Thin Solid Films394,201–205(2001).
2M.G.Kang and L.J.Guo,Adv.Mater.19,1391–1396(2007).
3M.G.Kang,M.S.Kim,J.S.Kim,and L.J.Guo,Adv.Mater.20,4408–4413(2008).
4M.G.Kang,T.Xu,H.J.Park,X.G.Luo,and L.J.Guo,Adv.Mater.22, 4378–4383(2010).
5P.Kuang,J.-M.Park,W.Leung,R.C.Mahadevapuram,K.S.Nalwa, T.-G.Kim,S.Chaudhary,K.-M.Ho,and K.Constant,Adv.Mater.23, 2469–2473(2011).
6J.-Y.Lee,S.T.Connor,Y.Cui,and P.Peumans,Nano Lett.8,689–692 (2008).
7H.Wu,L.Hu,M.W.Rowell,D.Kong,J.J.Cha,J.R.McDonough,J. Zhu,Y.Yang,M.D.McGehee,and Y.Cui,Nano Lett.10,4242–4248 (2010).
8B.O’Connor,C.Haughn,K.H.An,K.P.Pipe,and M.Shtein,Appl. Phys.Lett.93,223304(2008).
9D.S.Ghosh,L.Martinez,S.Giurgola,P.Vergani,and V.Pruneri,Opt. Lett.34,325–327(2009).
10Z.C.Wu,Z.H.Chen,X.Du,J.M.Logan,J.Sippel,M.Nikolou,K. Kamaras,J.R.Reynolds,D.B.Tanner,A.F.Hebard,and A.G.Rinzler, Science305,1273–1276(2004).
11M.Zhang,S.L.Fang,A.A.Zakhidov,S.B.Lee,A.E.Aliev,C.D.Wil-liams,K.R.Atkinson,and R.H.Baughman,Science309,1215–1219 (2005).
12J.B.Wu,H.A.Becerril,Z.N.Bao,Z.F.Liu,Y.S.Chen,and P.Peumans, Appl.Phys.Lett.92,263302(2008).
13J.B.Wu,M.Agrawal,H.A.Becerril,Z.N.Bao,Z.F.Liu,Y.S.Chen, and P.Peumans,ACS Nano4,43–48(2010).
14M.Cox,A.Gorodetsky,B.Kim,K.S.Kim,Z.Jia,P.Kim,C.Nuckolls, and I.Kymissis,Appl.Phys.Lett.98,123303(2011).
15T.W.Ebbesen,H.J.Lezec,H.F.Ghaemi,T.Thio,and P.A.Wolff, Nature391,667–669(1998).
16P.B.Catrysse,W.J.Suh,S.H.Fan,and M.Peeters,Opt.Lett.29,974–976(2004).
17P.B.Catrysse and S.Fan,Nano Lett.10,2944–2949(2010).
18J.Braun,B.Gompf,G.Kobiela,and M.Dressel,Phys.Rev.Lett.103, 203901(2009).
19S.S.Xiao and N.A.Mortensen,Opt.Lett.36,37–39(2011).
20S.S.Xiao,J.J.Zhang,L.A.Peng,C.Jeppesen,R.Malureanu,A.Kristen-sen,and N.A.Mortensen,Appl.Phys.Lett.97,071116(2010).
21M.Green and F.T.Yi,Thin Solid Films467,308–312(2004).
22T.Nakanishi,E.Tsutsumi,K.Masunaga,A.Fujimoto,and K.Asakawa, Appl.Phys.Express4,025201(2011).
23M.Weber and M.R.Kamal,https://www.wendangku.net/doc/1312799608.html,pos.18,711–725(1997).
24T.H.Reilly,R.C.Tenent,T.M.Barnes,K.L.Rowlen,and J.van de Lagemaat,ACS Nano4,615–624(2010).
25H.S.Kwok,X.W.Sun,and D.H.Kim,Thin Solid Films335,299–302 (1998).
26Y.H.Ye and J.Y.Zhang,Opt.Lett.30,1521–1523(2005).
27J.van de Groep,P.Spinelli,and A.Polman,Nano Lett.12,3138–3144 (2012).
28P.G.Miney,P.E.Colavita,M.V.Schiza,R.J.Priore,F.G.Haibach,and M.L.Myrick,Electrochem.Solid-State Lett.6,B42–B45(2003).
29S.Kasap,Principles of Electronic Materials and Devices(McGraw-Hill Higher Education,2005).
金属材料表面纳米化的研究现状
金属材料表面纳米化的研究现状*中科院金属研究所沈阳材料科学国家(联合)实验室刘刚雍兴平卢柯 摘 要：概述金属材料表面纳米化研究的现状，包括表面纳米化的基本原理、制备方法、结构特征和功能特性，并对表面纳米化研究的发展进行展望。 关键词：金属材料 表面纳米化 结构 性能 中图分类号：ＴG17; TB33 文献标识码：A 文章编号：1007–9289(2001)03–0001–05 １ 引 言 材料的组织结构直接影响着材料的使用性能，为了满足工作环境对材料的特殊需求，人们提出了多种表面改性技术，如喷丸、电镀、喷涂、气相沉积(PVD、CVD)、激光处理和表面化学处理等，这些技术通过材料表面组织结构的改善极大地提高了材料的服役行为，因此已在工业上取得了广泛的应用。随着纳米材料与纳米技术研究的不断深入，如何将表面改性技术与纳米技术相结合、以开发利用纳米材料的优异性能有待于进一步探索。 在过去的20年，纳米材料和纳米技术的研究异常活跃，这主要是由于纳米材料具有独特的结构和优异的性能[1,2]，对纳米材料的研究不但进一步深化了人们对固体材料本质结构特征的认识，也为新一代高性能材料的设计、开发提供了材料和技术基础。迄今为止，人们提出了多种纳米材料制备方法，如金属蒸发冷凝－原位冷压成型法、非晶晶化法、机械研磨法和强烈塑性变形法等[3~7]。但是，由于制备工艺复杂、生产成本高和材料外形、尺寸有限，内部存在界面污染、孔隙类缺陷多等因素的制约，现有的制备技术至今尚未能在三维块状金属材料上取得实际应用。 众所周知，大多数材料的失稳始于其表面，因此只要在材料的表面制备出一定厚度的纳米结构表层，即实现表面纳米化[8]，就能够通过表面组织和性能的优化提高材料的整体力学性能和环境服役行为。与其它纳米材料制备方法不同的是，表面纳米化采用常规表面处理技术或对表面处理技术进行改进即可实现。此外，表面纳米化材料的组织沿厚度方向呈梯度变化，这些技术在工业上应用 基金项目：国家自然科学基金项目(50071061);中国科学院创新基金重大项目 作者简介：刘钢男 (1963－) 副研究员博士 收稿日期：2001–08–16 并不存在明显的障碍；在使用过程中不会发生剥层和分离。因此，这种新材料有着开发应用的潜力。 最近，表面纳米化已引起国际同行的广泛关注，被认为是今后几年内纳米材料研究领域最有可能取得实际应用的技术之一。本文将表面纳米化研究的现状进行综述，包括表面纳米化的基本原理、制备方法、结构特征和功能特性，并对表面纳米化研究的发展进行展望。 ２ 表面纳米化的基本原理与制备方法 在块状粗晶材料上获得纳米结构表层有3种基本方式[8]：表面涂层或沉积、表面自身纳米化和混合方式，如图1所示，以下分别作以介绍。 图1 表面纳米化的3种基本方式 Fig.1 Schematic illustration of three types of surface nanocrystallization (a) surface coating or deposion(b) surface self-nanocrystallization (c) hybrid surface nanocrystallization 2.1 表面涂层或沉积 首先制备出具有纳米尺度的颗粒，再将这些颗粒固结在材料的表面，在材料上形成一个与基体化学成分相同(或不同)的纳米结构表层。这种材料的主要特征是：纳米结构表层内的晶粒大小比较均匀，表层与基体之间存在着明显的界面，材料的外形尺寸与处理前相比有所增加，图1(a)。 许多常规表面涂层和沉积技术都具有开发、应用的潜力，如PVD、CVD、溅射、电镀和电解沉积表面涂层或沉积 (b) 表面自身纳米化 (c)
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
表面纳米化对金属材料耐磨性的影响
东华大学研究生课程论文封面 教师填写： 得分任课教师签名 学生填写： 姓名学号 专业导师 课程名称 任课教师课程学分 上课时间20 至20 学年第学期星期 递交时间年月日 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的课程论文，是本人独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名：
表面纳米化对金属材料耐磨性的影响 摘要：材料的磨损起源于表面,金属材料的摩擦磨损性能与表面结构密切相关。利 用表面纳米化技术可以在金属材料的表面制备出一定厚度的纳米结构表层,从而大 大提高金属的耐磨性。结合国内外学者的研究报道,综述了表面纳米化在金属耐磨 性方面的影响,讨论了表面纳米化方法与机理以及表面纳米化影响耐磨性的因素, 简述了应用表面纳米化技术改善各种金属材料耐磨性的研究和实用成果,最后进行 了总结和展望。 关键词：表面纳米化；金属材料；耐磨性 Influence of Surface Nanocrystallization on Wear Resistance of Metallic Materials Abstract:Wearing stems from surface of material, the friction and wear properties of metallic materials are closely related to their surface structure. Nanostructured layer with a certain thickness can be produced by means of surface nanocrystallization technology on surface of metallic materials to enhance their wear resistance distinctly. With the research work of scholars, an overview of the influence of surface nanocrystallization on wear resistance of metallic materials is given. The methods, principle and factors influencing wear property of surface nanocrystallization are dis2 cussed, the research achievements and applying results are illustrated, and the summary and prospect are presented at last. Key words: surface nanocrystallization; metallic materials; wear resistance 1、引言 结构材料中许多失效(如磨损、疲劳等)均与材料表面结构和性能密切相关。在大多数服役环境下，材料的失稳多始于表面，如果能在材料上制备出一定厚度的纳米结构表层，就可以通过表面组织和性能的优化来提高材料的整体性能和服役行为[1]。基于此，20世纪末中科院金属所卢柯研究组提出了“表面纳米化”(Surface nanocrystallization)的概念，该项技术既
纳米金属材料—小论文
纳米孪晶金属材料 摘要：金属材料的高强度和良好的塑韧性是很多金属材料研究者追求的目标，本文总结了卢柯课题组金属材料中纳米孪晶对强度和塑韧性的影响，并阐明了孪晶界面的作用以及机械孪生对镁合金的影响。 关键词：强度塑韧性孪晶界面机械孪生 1.引言 近一个多世纪以来,金属材料强度水平的不断提高推动着相关工业技术的进步,也不断改善了我们的生活。轻质高强度铝合金的出现推动了飞机的诞生和发展,钢缆强度的不断提升使斜拉桥的跨度成倍增加,汽车的减重和降耗很大程度上依赖于高比强金属的发展和应用，强化金属材料是材料研究者不懈努力追求的目标,强度是材料科学与技术发展的一个重要标志，然而,在大多数情况下,伴随着强度升高,金属的塑性和韧性会下降,强度一塑性(或韧性)呈倒置关系。材料的强度愈高这种倒置就愈显突出。随着现代工业技术的发展,越来越多的构件要求材料既有高的强度又具有良好的塑性和韧性,高强度金属的低塑性和低韧性在一定程度上削弱了其工业应用的潜力,成为金属材料科学发展的瓶颈问题之一。 过去,人们对材料强度一塑(韧)性关系及强韧化规律的研究大多围绕相对简单的结构体系展开,材料的组织、相、成分等在空间上分布均匀,特征结构单元尺度单一且在微米以上。随着人们对自然界中很多天然生物材料认识的不断深入,发现具有优异综合力学性能和强韧性配合的天然生物材料往往具有比较复杂的结构要素特征,如不均匀几何形态及空间分布、多尺度、多相、非均匀成分分布、多层次藕合结构等。这些多层次多尺度的组织(或相)构筑为我们发展高强、高韧、耐损伤金属材料提供了有借鉴价值的线索。近年来对纳米结构材料研究的长足进步和各类纳米技术的迅猛发展,使人们在纳米一微米一宏观等不同尺度上对金属材料的结构设计与制备调控逐步成为可能,为金属材料强韧化研究提供了一个全新的契机。 2.孪晶促进强度和塑性的同时提高 如果两个相邻晶体(或同一晶体的两个部分)之间沿一个公共晶面形成镜面对称的位向关系,那么这两个晶体就互称为孪晶,公共晶面即为孪晶界面。一般说来,孪晶界面可以通过阻碍位错运动使材料得到一定程度的强化。但是,微米或亚微米尺度的孪晶,其强化效果并不显著,只有当孪晶片层细化至纳米量级时才开始表现出显著的强化效果和其他的特性。
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。
金属表面纳米化
表面自身纳米化及其研究进展 摘要：金属材料表面自身纳米化，即在材料自身表面形成具有纳米结构的表面层。纳米结构表层与基体之问没有明砬的界面，处理前后材料的外形尺寸基本没变，一方面克服了目前三维大尺寸纳米晶体材料制备的技术困难，另一方面又将纳米晶体材料的优异性能与传统金属材料相结合。 关键词：表面自身纳米化；性能；应用 前言 很多丁程上的应用只需要改善材料的表面性能．就可以提高整个材料的综合服役性能和使用寿命，因为材料的失效一般源于材料的表面，如材料的疲劳、磨蚀疲劳、腐蚀、摩擦磨损等。另外，为了改进一些常见的材料加丁工艺，如材料的表面渗氮、渗铬，异种金属材料的固态扩散焊接等，迫切需要改善材料的表面性能。显然，把纳米技术与表面改性技术相结合。实现材料的表面纳米化。将是一个非常有潜力的领域。近年来，徐滨士等【1-2】提出纳米表面工程的概念。为材料表面改性开创了新的途径。 表面纳米化处理是近几年表面强化方法研究的热点之一。这种技术将纳米晶体材料的优异性能与传统工程金属材料相结合，在工业应用上具有广阔的应用前景。众所周知，工程结构材料的失效多始于表面，而且材料的疲劳、腐蚀、磨损对材料的表面结构和性能很敏感。因此，表面组织和性能的优化就成为提高材料整体性能和服役行为的有效途径。1999年，h等?提出了金属材料表面自身纳米化(Suface
Self-Nanocrystallization，SNC)的概念，即在材料自身表面形成具有纳米结构的表面层。纳米结构表层与基体之间没有明显的界面，处理前后材料的外形尺寸基本不变。这种表面自身纳米化技术，一方面克服了目前三维大尺寸纳米晶体材料制备的技术困难，另一方面又将纳米材料的优异性能应用到了传统工程材料的表面改性技术中。因此，这种新材料新技术具有很大的工业应用价值。目前，表面纳米化的研究主要集中于机械加工的方法。本文将简要介绍表面自身纳米化处理的技术特点以及对疲劳、腐蚀、磨损等性能的影响。 2 表面纳米化的基本原理与制备方法 在块状粗晶材料上获得纳米结构表层有3种基本方式[8] 表面涂层或沉积，表面自身纳米化和混合方式。 表面涂层或沉积，首先制备出具有纳米尺度的颗粒再将这些颗粒固结在材料的表面在材料上形成一个与基体化学成分相同(或不同)的纳米结构表层。这种材料的主要特征是纳米结构表层内的晶粒大小比较均匀表层与基体之间存在着明显的界面材料的外形尺寸与处理前相比有所增加。 表面自身纳米化，对于多晶材料采用非平衡处理方法增加材料表面的自由能使粗晶组织逐渐细化至纳米量级这种材料的主要特征是晶粒尺寸沿厚度方向逐渐增大纳米结构表层与基体之间不存在界面与处理前相比材料的外形尺寸基本不变。表面自身纳米化技术与表面自身纳米化材料有很多独特之处：首先，表面自身纳米化采用常规的表面处理方法(或者对常规的处理方法进行略微的改造)即可实现，在
纳米金属材料的发展与应用综述
纳米金属材料的发展与应用 摘要：纳米技术的诞生将对人类社会产生深远的影响，可能许多问题的发展都与纳米材料的发展息息相关。在纳米金属材料的研究中，它的制备、特性、性能和应用是比较重要的方面。本文概要的论述了纳米材料的发现发展过程，并结合当今纳米金属材料研究领域最前沿的技术和成果，简述了纳米材料在各方面的应用及其未来的发展前景。 关键词：纳米金属材料、纳米技术、应用 一、前言 纳米级结构材料简称为纳米材料(nanomater 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。 纳米粒子异于大块物质的理由是在其表面积相对增大，也就是超微粒子的表面布满了阶梯状结构，此结构代表具有高表能的不安定原子。这类原子极易与外来原子吸附键结，同时因粒径缩小而提供了大表面的活性原子。 纳米技术在世界各国尚处于萌芽阶段，美、日、德等少数国家，虽然已经初具基础，但是尚在研究之中，新理论和技术的出现仍然方兴未艾。我国已努力赶上先进国家水平，研究队伍也在日渐壮大。 二、纳米材料的发现和发展 1861年，随着胶体化学的建立，科学家们开始了对直径为1~100nm的粒子体系的研究工作。1990年7月在美国召开了第一届国际纳米科技技术会议（International Conference on Nanoscience &Technology)，正式宣布纳米材料科学为材料科学的一个新分支。自20世纪70年代纳米颗粒材料问世以来，从研究内涵和特点大致可划分为三个阶段： 第一阶段（1990年以前）：主要是在实验室探索用各种方法制备各种材料的纳米颗粒粉体或合成块体，研究评估表征的方法，探索纳米材料不同于普通材料的特殊性能；研究对象一般局限在单一材料和单相材料，国际上通常把这种材料称为纳米晶或纳米相材料。 第二阶段（1990~1994年）：人们关注的热点是如何利用纳米材料已发掘的物理和化学特性，设计纳米复合材料，复合材料的合成和物性探索一度成为纳米材料研究的主导方向。 第三阶段（1994年至今）：纳米组装体系、人工组装合成的纳米结构材料体系正在成为纳米材料研究的新热点。国际上把这类材料称为纳米组装材料体系或者纳米尺度的图案材料。它的基本内涵是以纳米颗粒以及它们组成的纳米丝、管为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系。 三、纳米材料的应用 1、纳米磁性材料 在实际中应用的纳米材料大多数都是人工制造的。纳米磁性材料具有十分特别的磁学性质，纳米粒子尺寸小，具有单磁畴结构和矫顽力很高的特性，用它制成的磁记录材料不仅音质、图像和信噪比好，而且记录密度比γ-Fe2O3高几十
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
材料表面纳米化研究现状
金属材料表面纳米化研究现状 摘要：金属材料的表面纳米化处理是近几年表面强化方法研究的热点之一。这种技术将纳米晶体材料的优异性能与传统工程金属材料相结合，在工业应用上具有广阔的应用前景。通过对表面纳米化的基本原理、制备方法、结构特征和功能特性的综述,提出要实现这种新技术的工业应用需要解决的问题，如影响因素，表面纳米化形成动力学等。 关键词：表面纳米化；金属材料；研究现状 1、介绍 表面工程是21世纪工业发展的关键技术之一，它是先进制造技术的重要组成部分，同时又可为先进制造技术的发展提供技术支撑。表面工程，是经表面预处理后，通过表面涂覆、表面改性或多种表面工程技术复合处理，改变固体金属表面或非金属表面的形态、化学成分、组织结构和应力状态等，以获得所需要表面性能的系统工程。表面工程的最大优势是能够以多种方法制备出优于本体材料性能的表面功能薄层，赋予零件耐高温、耐腐蚀、耐磨损、抗疲劳、防辐射等性能。这层表面材料与部件的整体材料相比，厚度薄、面积小，但却承担着工作部件的主要功能[1-3]。 从19世纪80年代表面工程的诞生到现在，经历了三个发展阶段，第一代表面工程是指传统的单一表面工程技术，包括热喷涂、电刷镀、、激光熔覆、PVD(物理气相沉积)技术、CVD(化学气相沉积)技术以及激光束、离子束、电子束三束表面改性等[4-5]。第二代表面工程又称复合表面工程，是指将两种或多种传统的表面技术复合应用，起到“1+l>2”的协同效果[6]。例如，热喷涂与激光(或电子束)重熔的复合，热喷涂与电刷镀的复合，化学热处理与电镀的复合，多层薄膜技术的复合等。第三代表面工程即纳米表面工程，是指纳米材料和纳米技术有机地与传统表面工程的结合与应用。 纳米表面工程是以纳米材料和其他低维非平衡材料为基础，通过特定的加工技术或手段，对固体表面进行强化、改性、超精细加工或赋予表面新功能的系统工程。简言之，纳米表面工程就是将纳米材料和纳米技术与表面工程交叉、复合、综合并开发应用[7-9]。 在服役环境下，金属材料的失效多始于表面，因此只要在材料上制备出一定厚度的纳米结构表层，即实现表面纳米化，就可以通过表面组织和性能的优化提高材料的整体性能和服役行为。与其它纳米材料制备方法相比，表面纳米化技术
金属纳米微粒晶体结构的稳定性及其结合能
万方数据
万方数据
万方数据
万方数据
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．Ａｍｅｔａｓｔａｂｌｅ ａｌｌｏｔｒｏｐｉｃｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｉｎＮｂｉｎｄｕｃｅｄｂｙ ｐｌａｎｅｔａｒｙｂａｌｌ ｍｉｌｌｉｎｇ［Ｊ］．ＭａｔｅｒＳｃｉＥｎｇＡ，２００１．３０４／３０６：４２４－４２８． ＭＡＮＮＡＩ。ＣＨＡＴＴＯＰ＿ＡＤＨＹＡＹＰＰ’ＢＡＮＨＡＲＴＦ＇ＦＥＣＨＴＨＪ Ｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｆａｃｅ－－ｃｅｎｔｅｒｅｄ—?ｃｕｂｉｃｚｉｒｃｏｎｉｕｍｂｙｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｔｔｒｉｔｉｏｎ［Ｊ］．ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，２００２，８１（２２）：４１３６—４１３８． ＫＩＴ八ＫＡＭＩＯ．ＳＡＴＯＨ．ＳＨＩⅣ【ＡＤＡＹ．Ｓｉｚｅｅｆｆｅｃｔｏｎｔｈｅ ｃｒｙｓｔａｌｐｈａｓｅｏｆｃｏｂａｌｔｆｉｎｅｐａｒｔｉｃｌｅｓ［Ｊ］．ＰｈｙｓｉｃｓＲｅｖｉｅｗＢ，１９９７， ５６（２１１：１３８４９—１３８５４． ＨＡＮＥＤＡｋＺＨＯＵＺＸ，ＭＯＲ刚ＳＨＡＨ．Ｌｏｗ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｔａｂｌｅｎａｎｏｍｅｔｅｒ－ｓｉｚｅｆｃｃ—Ｆｅｐａｒｔｉｃｌｅｓｗｉｔｈｎｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｏｒｄｅｒｉｎｇ［Ｊ］．ＰｈｙｓｉｃｓＲｅｖｉｅｗＢ，１９９２，４６（２１）：１３８３２—１３８３７． ＨＵＨＳＨ，ＫＩＭＨＫ．ＰＡＲＫＪＷ．ＬＥＥＧＨ．Ｃｒｉｔｉｃａｌｃｌｕｓｔｅｒｓｉｚｅ ｏｆｍｅｔａｌｌｉｃＣｒａｎｄＭｏｎａｎｏｃｌｕｓｔｅｒｓ［Ｊ］．ＰｈｙｓｉｃｓＲｅｖｉｅｗＢ，２０００， ６２（４）：２９３７—２９４３． ＴＥＳＳＩＥＲ凡ＢＲＥＮＮＥＣＫＥＦ，ＳＴＡＤＴＨＥＲＲＡ．Ｒｅｌｉａｂｌｅｐｈａｓｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎａｌｙｓｉｓ ｆｏｒｅｘｃｅｓｓＧｉｂｂｓｅｎｅｒｇｙｍｏｄｅｌｓ［Ｊ］．Ｃｈｅｍｉｃａｌ ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＳｃｉｅｎｃｅ，２０００，５５：１ ７８５—１７９６． ＭＥＮＧＱ。ｚＨＯＵＮ，ＲＯＮＧＹ，ＣＨＥＮＳ，ＨＳＵＴＹｘｕＺｕ－ｙａｏ． Ｓｉｚｅｅｆｆｅｃｔ００ｔｈｅＦｅｎａｎｏｅｒｙｓｔａｌｌｉｎｅｐｈａｓｅｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ［Ｊ］． ＡｃｔａＭａｔｅｒｉａｌｉａ，２００２．５０：４５６３—４５７０． ＱＩＷＨ．Ｓｉｚｅ，ｓｈａｐｅａｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｅｐｅｎｄｅｎｔｃｏｈｅｓｉｖｅｅｎｅｒｇｙ ａｎｄｐｈａｓｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｍｅｔａｌｌｉｃｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ［Ｊ］．ＳｏｌｉｄＳｔａｔｅ ＣｏｍｒａｔｍｉｃａｔｉＯＩｌＳ，２００６，ｌ３７：５３６－－５３９． ＴｏＭＡ７ＮＥＫＤ，ＭＩⅨＨＥｌｕＥＥＳ。ＢＥＮＮＥＲＭＡＮＮＫＨ－ 【ｌＯ】 【１２］ 【１３】 【１４】 Ｓｉｍｐｌｅｔｈｅｏｒｙｆｏｒｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｎｄａｔｏｍｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｓｍａｌｌ ｃｌｕｓｔｅｒｓ［Ｊ］．ＰｈｙｓｉｃｓＲｅｖｉｅｗＢ，１９８３，２８（２）：６６５－６７３． ＳＵＮＣＱ，ＷＡＮＧＹＴＡＹＢｋＬＩＳ，ＨＵＡＮＧＨ，ＺＨＡＮＧＹ Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｍｅｌｔｉｎｇｐｏｉｎｔｏｆａｎａｎｏｓｏｌｉｄａｎｄｔｈｅ ｃｏｈｅｓｉｖｅｅｎｅｒｇｙｏｆａｓｕｒｆａｃｅａｔｏｍ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｈｙｓｉｃｓ ＣｈｅｍｉｃａｌＢ，２００２，１０６（４１）：１０７０１—１０７０５． ．ＲＡＮＧＱ，ＬＩＪＣ，ＣＨＩＢＱ．Ｓｉｚｅ－ｄｅｐｅｎｄｅｎｔｃｏｈｅｓｉｖｅｅｎｅｒｇｙｏｆ ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ［Ｊ］．ＣｈｅｍｉｃａｌＰｈｙｓｉｃｓｌ捌［１ｃｔ２００２，３６６（５／６）： ５５ｌ－５５４． ＮＡＮＤＡＫＩ（，ＳＡＨＵＳＮ．ＢＥＨＥＲＡＳＮ．Ｌｉｑｕｉｄ?ｄｒｏｐｍｏｄｅｌ ｆｏｒｔｈｅｓｉｚｅ?ｄｅｐｅｎｄｅｎｔｍｅｌｔｉｎｇｏｆｌｏｗ?ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｓｙｓｔｅｍｓ［ｊ］． ＰｈｙｓｉｃｓＲｅｖｉｅｗＡ，２００２，６６（１）：０１３２０８－０１３２０９． ＱＩＷＨ，ＷＡＮＧＭＰ＇ＸＵＧＹＴｈｅｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｚｅｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅｏｆ ｃｏｈｅｓｉｖｅｅｎｅｒｇｙｏｆｍｅｔａｌｌｉｃｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ［Ｊ］．ＣｈｅｍｉｃａｌＰｈｙｓｉｃａｌ Ｌｅｔｔｅｒ，２００３，３７６（３／４）：５３８—５３８． ⅪＭＨＫ，ＨＵＨＳＨ，ＰＡＲＫＪＷＴｈｅｃｌｕｓｔｅｒｓｉｚｅｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅｏｆ ｔｈｅｒｍａｌｓｔａｂｉｌｉｔｉｅｓｏｆｂｏｔｈｍｏｌｙｂｄｅｎｕｍａｎｄ ｔｕｎｇｓｔｅｎ ｎａｎｏｃｌｕｓｔｅｒｓ［Ｊ］．ＣｈｅｍｉｃａｌＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒ，２００２，３５４（１／２）： １６５－１７２． Ｑ１ｗＨ，ＷＡＮＧＭＰＳｉｚｅａｎｄｓｈａｐｅｄｅｐｅｎｄｅｎｔｍｅｌｔｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｍｅｔａｌｌｉｃｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ［Ｊ］．ＭａｔｅｒｉａｌｓＣｈｅｍｉｓｔｒｙ ａｎｄＰｈｙｓｉｃｓ。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．Ｅｌｅｃｔｅｄｖａｌｕｅｓｏｆｔｈｅ ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｅｅｌｅｍｅｎｔｓ［Ｍ］．Ｃｌｅｖｅｌａｎｄ： ＡｍｅｒｉｃａｎＳｏｃｉｅｔｙｏｆＭｅｔａｌｓ，１９７３． ＰＥＴＴＩＦＯＲＤＧＴｈｅｏｒｙｏｆｔｈｅｃｒｙｓｔａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｏｆｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｍｅｔａｌｓ［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． ＺＨＡＮＧ Ｂａｎｇ?ｗｅｉ，ＨＵＷａｎｇ—ｙｕ，ＳＨＵＸｉａｏ—ｌｉｎ．Ｔｈｅｏｒｙｏｆ ｅｍｂｅｄｄｅｄａｔｏｍｍｅｔｈｏｄａｎｄｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｔＯｍａｔｅｒｉａｌｓ［Ｍ］． Ｃｈａｎｇｓｈａ：ＨｕｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２００２：２４９—２６０． （编辑龙?际中） 珂 ｑ 刀 明 卅 【 万方数据
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。
表面纳米化的研究进展_张鹏
第30卷第3期吉林工程技术师范学院学报 Vol.30No.32014年3月 Journal of Jilin Teachers Institute of Engineering and Technology Mar．2014 收稿日期：2014-02-11 基金项目：吉林省科技发展计划项目（20120342）。作者简介：张鹏（1971-），男，吉林乾安人，吉林工程技术师范学院食品工程学院教授，主要从事化工分离与过程模拟研究。 表面纳米化的研究进展 张 鹏，尚晓敏，刘晓秋，彭欣丽 （吉林工程技术师范学院食品工程学院，吉林长春130052） ［摘 要］本文主要从物理法和化学法对表面纳米化方法进行了归纳。同时对各种纳米化方法的优缺 点及其适用范围进行了对比分析，并对表面纳米化方法的发展前景进行了展望。［关键词］填料；纳米化；进展；方法［中图分类号］TG668 ［文献标识码］A ［文章编号］1009-9042（2014）03-0073-02 The Ｒesearch Progress of Surface Nanocrystallization ZHANG Peng ，SHANG Xiao-min ，LIU Xiao-qiu ，PENG Xin-li （College of Food Engineering ，Jilin Teachers Institute of Engineering and Technology ，Changchun Jilin 130052，China ） Abstract ：This paper mainly summarizes the surface nanocrystallization method from the physi-cal and chemical methods ；at the same time ，it makes the contrastive analysis toward the ad-vantages and disadvantages of various nanocrystallization methods and its applicable range as well ，and discusses the development prospect of surface nanocrystallization method．Key words ：packing ；nanocrystallization ；progress ；method 1前言 纳米材料具有独特的优异性能如高强度、良好的塑性变形能力（包括超塑性）、高比热、高热膨胀系数以及独特的理化性能等引起了人们的高度重视。一直以来，人们对纳米材料进行了广泛而深入的研究。在纳米材料的制备技术、制备方法、性能及其应用领域的探索和拓展等方面都取得了长足的进步。 在此背景下，中国的卢柯与华裔学者吕坚联合提出了结构材料表面纳米化的概念，并被列入国家纳米科技发展规划，2000年国际纳米材料大会的总结报告上被认为是最有可能在结构材料上获得突破的纳米技术之一。 2表面纳米化概念的提出 1998年卢柯和吕坚提出了金属材料表面纳米化的概念。表面纳米化有三种基本方式：第一种是图层表面 纳米化，即在材料表面沉积一层纳米结构的涂层；第二种是自身表面纳米化，即将材料表面层的粗晶组织细化到纳米级形成表面纳米化层；第三种方式是混合型表面纳米化，即以上两种方式的混合。这三种表面纳米化本身都有自身的弱点和优点，因此当这三种表面纳米化的方式一提出就得到了很大的关注。 3表面纳米化方法研究进展 纳米薄膜、粉末有多种制备方法，主要可分为物理方法和化学方法两大类。3．1物理方法 物理气相沉积（PVD ）法，真空蒸镀是在真空条 件下，将镀料加热并蒸发，使大量的原子、 分子气化并离开液体镀料表面。 真空蒸镀基本原理是在真空条件下，使金属、金属合金或化合物蒸发，然后沉积在基本表面上，蒸发的方法常用电阻加热，高频感应加热，电子束、激光束、离子束高能轰击镀料，使蒸发成气相，然后沉积
纳米金属材料的制备方法
纳米硬质合金制备技术 纳米硬质合金具有很高的强度、硬度等力学性，能同时还具有普通超细合金难以获得的高导热特性（普通超细合金的导热性能随着晶粒度的减小而降低,瑞典的Sandvik公司就以硬质合金的导热性发生突变时合金晶粒度的临界值作为纳米硬质合金判据,认为晶粒度小于0.3μm的合金即可称为纳米硬质合金）。控制烧结过程中的晶粒长大是制备纳米硬质合金块体材料的关键,随着纳米（晶）硬质合金粉末制备技术的成熟,纳米（晶）硬质合金粉末的烧结研究成为材料研究领域的热点。 纳米晶粉末存在着很大的表面能和晶格畸变能，在烧结热处理中这些能量被充分释放，具体表现为晶粒迅速长大和快速致密化。在保证致密化的前提下,有效控制烧结过程中的晶粒长大成为纳米硬质合金制备技术的难点。为了抑制烧结晶粒长大,可在粉末中添加晶粒长大抑制，但添加抑制剂并不能有效地将晶粒控制在100nm以内，于是又发展了众多新的烧结方法,以期通过压力、电磁等活化作用来实现低温短时烧结,进一步控制晶粒长大。以下将对纳米硬质合金新型烧结技术进行简要介绍。 1 压力烧结 在烧结时施加压力可以加快烧结时的颗粒重排,快速实现致密化,消除孔隙,较有效控制烧结过程的晶粒长大。压力烧结主要有低压烧结、热等静压、热压、超高压烧结和爆炸烧结等。 1.1低压烧结 目前人们研究较多并且在工业中被广泛应用的是低压烧结。低压烧结将成形剂脱除、真空烧结和热等静压合并在同一设备中进行,最终烧结阶段采用氢气保护,压力一般为4~6MPa,可实现快速冷却。在低压烧结过程中,大部分收缩发生在真空烧结阶段,在加压阶段消除显微孔隙,使烧结体完全致密。其工艺主要优点为钻池几乎可以完全被消除，孔隙度显著降低,制品内部的缺陷得到有效控制合金的组织结构细小均匀。由于烧结和加压在同一设备中进行,不易造成产品的氧化和脱碳,还可通过引人碳势气体(如CH4等)来调整合金中的碳含量。 1.2热等静压