激光晶化形成纳米硅材料的场电子发射性质研究
激光晶化形成纳米硅材料的场电子发射性质研究
*
周 江 韦德远 徐 骏
李 伟 宋凤麒 万建国 徐 岭 马忠元
(南京大学物理系,固体微结构物理国家重点实验室,南京 210093)
(2007年8月20日收到;2007年11月28日收到修改稿)
利用KrF 准分子激光退火超薄非晶硅膜,并结合热退火技术制备了单层纳米硅薄膜并研究了薄膜的场电子发射性质.在晶化形成的纳米硅薄膜中可以观测到稳定的场电子发射现象,其开启电场从原始淀积的非晶硅薄膜的17V m 降低到8 5V m,而场发射电流密度可以达到0 1mA cm 2.激光晶化后形成的纳米硅材料的场电子发射特性的改善可以从薄膜表面形貌的改变以及高密度纳米硅的形成所导致的内部电场增强作用来解释.
关键词:纳米硅,场发射,激光晶化PACC :6146,7970,8110J
*国家自然科学基金(批准号:60425414)和国家重点基础研究项目(批准号:2007CB613401)资助的课题. 通讯联系人.E mail:junxu@https://www.wendangku.net/doc/732256224.html,
1 引言
由于在平板显示器件,真空微电子器件和高频微波器件等方面有着重要的应用前景,近年来,对半导体材料的场发射特性的研究正越来越引起国际上许多研究小组的重视
[1 2]
.迄今为止,许多半导体材
料,包括金刚石,非晶碳、碳纳米管以及氮化物等材料的场电子发射特性已被广泛地研究和报道
[1 5]
.
为了提高场发射材料与器件的特性,人们希望能获得具有较低的开启电场,较高的场发射电流和稳定性的冷电子发射材料,因而,材料的选择、制备到场发射器件结构的设计与机理研究等各个方面都需要进行进一步地探索.
纳米硅薄膜是当前一类重要的半导体材料,它
可以显示出与体硅材料所不同的许多有趣的物理现象,例如:室温下的强光致可见光发射,以及电荷存储效应等
[6 8]
.同时,由于它能和当前成熟的半导体
集成电路工艺技术相兼容,因而非常有利于与微电子器件相结合,实现器件的高度集成.目前,对纳米硅的研究主要集中在材料制备与光电特性方面,而对纳米硅材料的场电子发射特性的研究较少.文献[9]报道了利用激光晶化制备的纳米硅材料的场发射特性,他们的研究结果表明,纳米硅材料可以显现出较好的场发射特性,但由于其纳米硅的密度较低,
因而场发射开启电场较高而场发射电流较小.
在我们先前的工作中,采用KrF 准分子脉冲激光作用于超薄氢化非晶硅(a Si:H)膜,再结合常规热退火技术,获得了面密度大于1011
cm -2
,晶粒尺寸可控的高密度硅基纳米材料,同时,在合适的激光辐照能量密度范围内,所获得的纳米硅的尺寸分布的标准偏差小,这表明可以通过分别控制晶粒的成核与生长过程的方法制备出高密度、均匀的硅基纳米薄膜
[10]
.本文主要研究了利用准分子脉冲激光所制
备出的高密度纳米硅的场电子发射特性,研究表明,样品具有良好的场电子发射特性,其开启电场与场电子发射电流都相对于非晶硅薄膜有较大提高,同时,对场发射特性与纳米硅的形成和表面形貌的联系进行了初步研究和讨论.
2.实 验
我们利用硅烷和氨气的混合气体在等离子体增强化学气相淀积(PEC VD)系统中连续沉积了30nm 厚的氢化非晶氮化硅(a SiN:H )和同样是30nm 厚的氢化非晶硅薄膜,生长时的射频源功率和生长温度分别控制为30W 和250 ,衬底材料选用重掺杂的n 型单晶硅片.生长时的其他详细参数可参考我们以前的工作
[10,11]
.如图1所示,在样品生长完以
后,采用KrF 准分子脉冲激光(波长248nm)诱导结
第57卷第6期2008年6月1000 3290 2008 57(06) 3674 05
物 理 学 报
AC TA PHYSIC A SINICA
Vol.57,No.6,June,2008
2008Chin.Phys.Soc.
晶方法对非晶硅薄膜进行晶化,晶化过程中使用的激光能量密度可以在0 1 4J c m 2
的范围内调节.本实验中使用单脉冲进行晶化,所用的激光能量密
度为0 62J cm 2
,在样品上的晶化面积约为5mm 5mm.在激光晶化过程完成以后,样品再放置于900 的热退火炉中进行30min 热处理以消除激光退火过程中引入的应力与缺陷,退火是在纯氮气的保护气氛下进行的.透射电子显微镜被用来验证纳米硅晶粒的形成.样品的场电子发射特性是在真空度小于1 0 10-4
Pa 的真空腔中测试的,测试时,在样品的硅衬底背面蒸镀上金属铝电极,放置在样品台上作为阴极,场发射电流是由直径约为9mm 的探针状的铜阳极收集.作为比较,原始淀积的样品也在同样的条件下进行了场发射特性的测试
.
图1 激光晶化与热退火非晶硅薄膜形成纳米硅的实验过程示意图
3.结果与讨论
图2是晶化后的样品的场电子发射特性的连续几次的测试结果,其中电场是将外加电压除以测试时的样品与铜阳极间距离所得.测试时,将外加电压从低到高地增加,获得场发射电流数据,然后再将电压降回来,接着再由低到高增加电压接着第二次测试,依此类推,图中的标注代表了测试的次序.可以看到在第一次测试时,样品的场发射电流明显高于随后的测试结果,但在第2次测试后,所得结果就较为稳定和重复,即在测试时需要一个 初始化 过程.这在讨论非晶半导体材料的场电子发射特性的研究
中也有报道,其原因尚不明了,很可能与材料的表面
与结构的变化有关
[12]
.但一般是第一次测试的结果
较差,随后的结果越来越好,即开启电压降低,场发射电流明显升高.而在我们的测试中,情况正好相反.我们认为,在我们的样品中,增加外加电场并不会引起材料结构的变化而导致场发射特性的改变.较有可能的原因是在第一次测量时,由于电流的增加,使得样品的表面上附着的杂质的蒸发所导致的,随着第一次测量时表面清洁过程的完成,随后的测试就显现出稳定而重复的膜本身的场发射性质.为了进一步验证测试结果的可靠性,我们又对比了在不同的样品与铜阳极间距离下的测试结果.图3给出了阴极(样品) 阳极(铜电极)间距分别在200和300 m 的结果,可以看到,两者能很好的重复,说明样品的发射电流大小并不依赖于测试间距,而仅仅取决于所加的电场强度的大小.这证明了对于激光晶化形成的纳米硅材料,空间电荷在场发射过程中并不起主要作用,这与在硅纳米线中所观测
到的现象是不同的[13]
.
图2 晶化后样品连续4次测试得到的场发射电流密度随外加
电场强度的变化曲线
图4是给出了典型的激光晶化样品与原始淀积的未晶化样品的场发射电流密度(J ) 电场强度(E)的测试结果.比较两者可以发现,晶化形成纳米硅材料后薄膜的场发射特性有了明显的改善,表现在其
开启电场(定义为场发射电流密度~1 A c m 2
时的电场强度)的降低与场发射电流密度的增加.对于原始淀积的样品,其开启电压>17V m,而对于晶化的样品,其开启电压降低到约8 5V m.同时,当外加电场到达13V m 时,其场发射电流密度可达到0 1mA cm 2
,这已可以与碳纳米线场发射特性相比拟[3]
,说明激光晶化后的纳米硅薄膜可以作为很好的场电子发射阴极材料.
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6期周 江等:激光晶化形成纳米硅材料的场电子发射性质研究
图3 晶化后样品在不同的阴极 阳极测试间距下测试得到的
场发射电流密度随外加电场强度的变化曲线
图4 原始沉积和晶化后样品的场发射电流密度与外加电场强
度的关系
图5 原始沉积和晶化后样品的场发射特性的F N 关系曲线
在硅纳米线中,一般认为其优良的场发射特性来源于其高的纵横比(>150),使得相对于具有平整
表面的硅材料,其场增强因子有了明显的提高
[13]
.
在我们的样品中,经过退火和热处理,样品表面确实发生了变化,由AFM 获得的平均粗糙度由原始淀积样品的0 13nm 上升到约0 3 1nm,可以观察到在一定的激光辐照能量密度下,在样品表面开始形成了高密度的纳米量级的突起
[11]
,其面密度可大于
1010
cm -2
,这些突起有助于表面局部电场的增强,从而降低宏观的开启电场强度.同时,高密度的突起也增加了场发射的面密度从而进一步提高了场发射电流密度.
图6 晶化后样品的拉曼散射谱.插图为同样样品的平面电子显微镜照片
图5给出了根据图4的J E 数据推出的J E 2
1 E 的关系曲线.可以看出,在外加电场强度大于开
启电场时,其呈现一直线关系,反映出样品的场发射特性过程遵循Fowler Nordheim(F N)隧穿机理.其场增强因子计算可得为571.其比原始淀积的样品的增强因子要提高约2 3倍.这一提高,部分可归结为晶化后薄膜表面突起的影响.另一方面,晶化后形成的纳米级晶粒所导致内场增强效应也起着重要的作用.图6是晶化后的样品的Raman 谱结果,可以看出,在经过处理后,在Raman 谱中,出现了较强的晶化硅的TO 声子振动信号,其峰位位于516cm -1
,表明激光辐照和热处理导致了非晶硅的晶化.图6中的插图是样品平面电子显微镜照片,可以看出在晶化后膜中形成了大小不一的纳米硅晶粒.其平均尺寸约为20nm.正是由于纳米硅晶粒的存在,使得膜
中形成了导电性较好的纳米硅晶粒与包围在其周围的半绝缘或绝缘的非晶硅或二氧化硅的两相结构,这种导电性的差异使得外加宏观电场会集中于导电性较好的纳米硅晶粒上,使得内部的局域电场强度增加.最近有人计算镶嵌在二氧化硅中纳米硅薄膜
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物 理 学 报57卷
的F N隧穿电流,发现随着纳米硅的晶粒尺寸与晶化比的增加,发生隧穿的开启电压会明显下降[14],我们的实验结果也证明了由于纳米硅晶粒的形成,有可能使得晶化后的纳米硅薄膜的场发射开启电场特性有明显的改善.
4.结 论
利用KrF准分子脉冲激光与热退火相结合的技术形成了纳米硅薄膜,研究了材料的场电子发射的特性,研究表明,利用这种技术可获得稳定而重复的场电子发射特性,相对于原始淀积的样品,其场发射开启电场强度可明显地降低到8 5V m,发射电流密度在13V m时可达到0 1mA cm2.场电子发射特性的改善与纳米硅晶粒的形成以及表面电场的增强有关.我们的实验表明利用激光晶化超薄非晶硅膜是一条制备低开启电压的硅基场电子发射阴极材料的有效途径.
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6期周 江等:激光晶化形成纳米硅材料的场电子发射性质研究
3678物 理 学 报57卷Electron field emission of nanocrystalline Si prepared
by laser crystallization*
Zhou Jiang Wei De Yuan Xu Jun Li Wei Song Feng Qi Wan Jian Guo Xu Ling Ma Zhong Yuan (Na tiona l La boratory o f Solid Sta te Microstruc tures an d De pa rtment o f Ph ysics,Nan jin g U ni ve rsit y,Nan j in g 210093,Chin a)
(Received20Augu st2007;re vised manu scrip t received28November2007)
Abstract
The electron field e mission cha rac teristic s of nanocrystalline Si thin films prepared by KrF e xcimer laser c rystalliza t ion of ultrathin amorphous Si films and subsequent ther mal annealing is reported.Stable and reproducible field e mission behavior c an be obse rved for the crystallized Si films.The turn on electric field is reduced from17V m for the as deposited sample to8 5V m for the crystallized one,and the emission curre nt density c an reach as high as0 1mA c m2 The improveme nt in field e mission charac teristics is attributed to both the change of film surface and the formation of high densi ty nanoc rystalline Si,whic h induces the enhance ment of inte rnal local elec tric field.
Keywords:nanoc rystalline Si,field e mission,lase r crystallization
PACC:6146,7970,8110J
*Project supported by the National Natural Science Foundati on of China(Grant No.60425414)and the State Key Program for Basic Research of China (Grant No.2007CB613401).
Correspondi ng author.E mail:j unxu@https://www.wendangku.net/doc/732256224.html,
胶体化学法制备半导体纳米晶方法研究进展
胶体化学法制备半导体纳米晶方法研究进展 纳米技术是一个新的科学领域，纳米材料的物理、化学性质，例如：光、电、磁、热、力学等性能，与其相应体相材料具有显著的差别。新型纳米复合材料集两者优秀的综合性能和协同效应，一直是物理、化学、材料学科等科学领域密切关注的重要课题之一。 纳米材料的制备是当今研究的热点之一，但是由于研究者来自不同领域，而且材料应用目的也不尽相同，所以制备纳米材料的方法也不同。 一、纳米晶的制备方法 纳米晶的制备方法大致可分为三大类：固相法、液相法和气相法，并且每一类又有多种制备手段。 在固相法中，合成纳米微粒的方法主要是高能球磨法，球磨技术作为一种重要的实验方法用于提高固体材料的分散度及减小粒度。而Matteazzi等利用球磨的方法用于合成具有特殊性能的新材料：制备纳米硫化物。高压压制法是根据脆性材料在高压下的压致晶粒碎化效应，通过压致碎化过程直接制备块状纳米晶体材料。 气相法分为物理气相法和化学气相法。物理气相沉淀法在整个纳米材料形成过程中没有发生化学反应，主要是利用各种热源促使金属等块体材料蒸发气化，然后冷却沉积而得到纳米材料，主要用于制备金属纳米微粒。化学气相反应法也叫化学气相沉积法（Chemical Vapor Deposition，简称CVD），是利用挥发性的金属化合物或金属单质的蒸气，通过化学反应生成所需要的纳米级化合物，在保护气体环境下快速冷凝，从而制备出各类物质的纳米粒子。 液相法也包括物理方法与化学方法，其中液相化学方法应用比较多，包括溶胶-凝胶法（Sol-Gel）、化学沉淀法、模板合成法、水热合成法、微乳法等方法。 二、半导体纳米晶的制备方法 到目前为止，采用胶体化学法几乎能成功合成所有的Ⅱ-Ⅵ族半导体纳米晶。该方法常通过选用合适的前驱体（用于生成纳米晶的核心部分）和配体（也称稳定剂，用于防止纳米晶团聚），通过控制反应条件（如温度、浓度等）获得具有不同尺寸、形状的纳米级团簇，从而形成较高质量的纳米晶材料。 1.有机金属法。有机金属法是将有机金属前驱体溶液注射进入高温（250-300℃）配体溶液中，这些前驱体就在高温条件下迅速热解成核，晶核在随后的时间里缓慢生长为纳米晶。有机金属法是Bawendi研究小组在1993年发明的。前躯体一般为烷基金属（如二甲基镉）和烷基非金属（如，二、三甲硅烷基硒）化合物，主配体为三辛基氧化磷，溶剂兼次配体为三辛基磷。该方法的不
纳米材料的特性及相关应用
纳米材料的研究属于一种微观上的研究，纳米是一个十分小的尺度，而一些物质在纳米级别这个尺度，往往会表现出不同的特性。纳米技术就是对此类特性进行研究、控制。那么，关于纳米材料的特性及相关应用有哪些呢？下面就来为大家例举介绍一下。 一、纳米材料的特性 当粒子的尺寸减小到纳米量级，将导致声、光、电、磁、热性能呈现新的特性。比方说：被广泛研究的II-VI族半导体硫化镉，其吸收带边界和发光光谱的峰的位置会随着晶粒尺寸减小而显著蓝移。按照这一原理，可以通过控制晶粒尺寸来获得不同能隙的硫化镉，这将大大丰富材料的研究内容和可望获得新的用途。我们知道物质的种类是有限的，微米和纳米的硫化镉都是由硫和镉元素组成的，但通过控制制备条件，可以获得带隙和发光性质不同的材料。也就是说，通过纳米技术获得了全新的材料。纳米颗粒往往具有很大的比表面积，每克这种固体的比表面积能达到几百甚至上千㎡，这使得它们可作为高活性的吸附剂和催化剂，在氢气贮存、有机合成和环境保护等领域有着重要的应用前景。对纳米体材料，我们可以用“更轻、更高、更强”这六个字来概括。“更轻”是指借助于纳米材料和技术，我们可以制备体积更小性能不变甚至更好的器件，减小器件的体
积，使其更轻盈。如现在小型化了的计算机。“更高”是指纳米材料可望有着更高的光、电、磁、热性能。“更强”是指纳米材料有着更强的力学性能(如强度和韧性等)，对纳米陶瓷来说，纳米化可望解决陶瓷的脆性问题，并可能表现出与金属等材料类似的塑性。 二、纳米材料的相关应用 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高几十倍。超顺磁的强磁性纳米颗粒还可制成磁性液体，用于电声器件、阻尼器件、旋转密封及润滑和选矿等领域。 2、纳米陶瓷材料 传统的陶瓷材料中晶粒不易滑动，材料质脆，烧结温度高。纳米陶瓷的晶粒尺寸小，晶粒容易在其他晶粒上运动，因此，纳米陶瓷材料具有极高的强度和高韧性以及良好的延展性，这些特性使纳米陶瓷材料可在常温或次高温下进行冷加工。如果在次高温下将纳米陶瓷颗粒加工成形，然后做表面退火处理，就可以使
纳米材料物理热学性质
纳米材料的热学性质 纳米材料是一种既不同于晶态，又不同于非晶态的第三类固体材料，通常指三维空间尺寸至少有一维处于纳米量级 ( 1 n m～1 0 0 n m)的固体材料。由于纳米材料粒径小，比表面积大，处于粒子表面无序排列的原子百分比高达 l 5 ～5 0 ％。纳米粒子的这种特殊结构导致其具有不同于传统材料的物理化学特性。纳米材料的高浓度界面及原子能级的特殊结构使其具有不同于常规块体材料和单个分子的性质，纳米材料具有表面效应，体积效应，量子尺寸效应宏观量子隧道效应等，从而使得纳米材料热力学性质具有特殊性，纳米材料的各种热力学性质如晶格参数，结合能，熔点，熔解焓，熔解熵，热容等均显示出尺寸效应和形状效应。可见，纳米材料热力学性质在各方面均显现出与块体材料的差异性，研究纳米材料的热力学性质具有极其重要的科学意义和应用价值。 一热容 1996年，在低温下测定了纳米铁随粒度变化的比热，发现与正常的多晶铁相比，纳米铁出现了反常的比热行为，低温下的电子比热系数减50 %。 1998年，通过研究了粒度和温度对纳米粒子热容的影响，建立了一个预测热容的理论模型，结果表明:过剩的热容并不正比于纳米粒子的比表面，当比表面远小于其物质的特征表面积时，过剩的热容可以认为与粒度无关。 2002年，又把多相纳米体系的热容定义为体相和表面相的热容之和，因为表面热容为负值，所以随着粒径的减小和界面面积的扩大，将导致多相纳米体系总的热容的减小， 二.晶格参数，结合能，内聚能 纳米微粒的晶格畸变具有尺寸效应，利用惰性气体蒸发的方法在高分子基体上制备了1. 45nm 的pd纳米微粒，通过电子微衍射方法测试了其晶格参数，发现 Pd 纳米微粒的晶格参数随着微粒尺寸的减小而降低。结合能的确比相应块体材料的结合能要低。通过分子动力学方法，模拟 Pd 纳米微粒在热力学平衡时的稳定结构，并计算微粒尺寸和形状对 晶格参数和结合能的影响，定量给出形状对晶格参数和结合能变化量的贡献研究表明:在一定的形状下，纳米微粒的晶格参数和结合能随着微粒尺寸的减小而降低，在一定尺寸时，球形纳米微粒的晶格参数和结合能要高于立方体形纳米微粒的相应量。 三纳米粒子的熔解热力学 熔解温度是材料最基本的性能，几乎所有材料的性能如力学性能，物理性能以及化学性能都是工作温度比熔解温度( T /Tm )的函数，除了熔解温度外，熔解焓和熔解熵也是描述材料熔解热力学的重要参量；熔解焓表示体系在熔解的过程中，吸收热量的多少，而熔解熵则是体系熔解过程中熵值的变化。几乎整个熔解热力学理论就是围绕着熔解温度，熔解熵和熔解焓建立的块体材料的熔解温度(有时称熔点) 熔解焓(或称熔解热)和熔解熵一般是常数，但对于纳米材料则非如此实验表明:纳米微粒的熔解温度依赖于微粒的尺寸。 四反应体系的化学平衡 利用纳米氧化铜和纳米氧化锌分别与硫酸氢钠溶液的反应，测定出不同粒径，不同温度时每个组分反应的平衡浓度，从而计算出平衡常数，进而得到化学反应的标准摩尔吉布斯函数;通过不同温度的标准摩尔吉布斯函数，可得化学反
半导体纳米结构的发光性质及其机理.doc
半导体发光的分类： 1）光致发光，2）电致发光，3）阴极射线发光，4）X射线及高能例子发光，5）化学发光以及6）生物发光等。其共同点就是用不同的能量激发半导体，让其发光，也就是把不同形式的能量转换为光能。 PL定义： Luminescence is one of the most important methods to reveal the energy structure and surface states of semiconductor nanoparticles and has been studied extensively. Whenever a semiconductor is irradiated, electrons and holes are created. If electronhole pairs recombine immediately and emit a photon that is known as fluorescence and if the electrons and holes created do not recombine rapidly, but are trapped in some metastable states separately, they need energy to be released from the traps and recombine to give luminescence. If they spontaneously recombine after some time, it is called photoluminescence (PL). It is reported that the fluorescence process in semiconductor nanoparticles is very complex, and most nanoparticles exhibit broad and Stokes shifted luminescence arising from the deep traps of the surface states. Only clusters with good
纳米材料表面效应
纳米材料的表面效应 材料0701 李愿 学号：1002070101 参考文献： 1、卢柯、卢磊金属纳米材料力学性能的研究进展 金属学报 2000年8月第36卷第8期：785—789 摘要 金属纳米按体材料具有独特的力学性能如高强度、超高延展性等。近年来得到广泛深入的研究。在对其新进展进行简要评述的基础上，讨论了它的强度、塑性、弹性模量、应变强化、超塑性、蠕变及变形机理等相关问题。 2、吴锦雷纳米材料的电学、光学和光电性能及应用前景 真空电子学术 2002年第4期：23—27 摘要： 简要介绍了纳米材料的电学性能以及单电子器件的基本原理和应用；纳米材料的光学性能和光电性能，高的光吸收系数和光致荧光现象可使其应用于敏感元件，由于其光电特性具有超快响应速度，可望在超快光电子器件中得到应用。 3、齐卫宏、汪明朴纳米金属微粒表征量的基本关系 材料导报 2002年9月第16卷第9期：76—77 摘要： 在假定纳米微粒近似成球形的前提下，推导出了粒径、微粒原子数、表面原子百分数及比表面积之间的相互关系式，这些关系式对实验将会有一些指导作用。 4、梁海弋、倪向贵、王秀喜表面效应对纳米铜杆拉伸性能影响的原子模拟 金属学报 2001年8月第37卷第8期 833—836 摘要： 采用EAM势对纳米铜杆的拉伸力学性能进行零温分子动力学模拟。研究表面效应对原子能量、截面应力分布的影响模拟结果表明，表面原子弛豫降低了纳米杆初始阶段的拉伸弹性模量。表面效应明显影响截面应力的发展与分布。 5、黄丹、陶伟明、郭乙木分子动力学模拟纳米镍单晶的表面效应 固体力学学报 2005年6月第26卷第2期：241—244 摘要： 对单晶镍纳米丝、纳米薄膜零温准静态拉伸破坏过程进行了分子动力学模拟。模拟表明表面效应对单晶纳米材料的原子运动及整体力学行为有显著影响。自由表面增加纳米材料的塑
纳米晶带材简介
铁基纳米晶合金 一、简介： 铁基纳米晶合金是由铁元素为主，加入少量的Nb、Cu、Si、B元素所构成的合金经快速凝固工艺所形成的一种非晶态材料，这种非晶态材料经热处理后可获得直径为的，弥散分布在非晶态的基体上，被称为微晶、纳米晶材料或纳米晶材料。微晶直径10-20 nm, 适用频率范围50Hz-100kHz. 二、背景介绍： 1988年日本的Yoshizawa等人首先发现,在Fe-S-iB非晶合金的基体中加入少量Cu和 M(M=Nb,Ta,Mo,W等),经适当的温度晶化退火以后,可获得一种性能优异的具有bcc结构的超细晶粒(D约10nm)软磁合金。这时材料磁性能不仅不恶化,反而非常优良,这种非晶合金经过特殊的晶化退火而形成的晶态材料称为纳米晶合金。其典型成份为 Fe7315Cu1Nb3Si1315B9,牌号为Finemet。其后,Suzuki等人又开发出了Fe-M- B(M=Zr,Hf,Ta)系,即Nanoperm系。到目前为止,已经开发了许多纳米晶软磁材料,包括:Fe基、Co基、Ni基[2]。由于Co基和Ni基不易于形成K、Ks同时为零的非晶态或晶态合金,如果没有特殊情况,实用价值不大。 三、铁基纳米晶软磁合金的制备方法 纳米晶软磁合金的制备一般采用非晶晶化法。它是在用快淬法、雾化法、溅射法等制得非晶合金的基础上,对非晶合金在一定的条件下(等温、真空、横向或纵向磁场等)进行退火,得到含有一定颗粒大小和体积分数的纳米晶相。近年来,也有一些研究者采用高能球磨法制备纳米晶软磁合金。 四、纳米晶软磁合金的结构与性能 纳米晶软磁合金的典型成份为Fe7315Cu1Nb3Si1315B9。随着研究的不断进行,合金化元素几乎遍及整个元素周期表。从合金的化学成份在合金中的作用看,可以分为4类: (1). 铁磁性元素:Fe、Co、Ni。由于Fe基合金具有高Bs的优势,且纳米晶合金可以实现K和Ks同时为零,因而使L值很高、损耗很低,价格便宜,成为当今研究开发的中心课题。 (2). 非晶形成元素:主要有Si、B、P、C等。对于纳米晶软磁合金带材,一般都是先形成非晶带,然后通过退火使材料出现纳米晶,因而非晶化元素是基本元素。特别是B对形成非晶有利,成为几乎所有纳米晶软磁合金的构成元素,含量在5at%~15at%之间。Si也是
纳米材料在现实生活中的应用
纳米材料属于纳米技术中的一种，是一种很特殊的材料。物质到纳米尺度以后，大约是在0.1—100纳米这个范围空间，物质的性能就会发生突变，出现特殊性能。纳米材料指的就是这种尺度达到纳米单位的、具备特殊性能的材料。它在现实生活中的应用广泛，包含以下几点： 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高几十倍。超顺磁的强磁性纳米颗粒还可制成磁性液体，用于电声器件、阻尼器件、旋转密封及润滑和选矿等领域。 2、纳米陶瓷材料 传统的陶瓷材料中晶粒不易滑动，材料质脆，烧结温度高。纳米陶瓷的晶粒尺寸小，晶粒容易在其他晶粒上运动，因此，纳米陶瓷材料具有极高的强度和高韧性以及良好的延展性，这些特性使纳米陶瓷材料可在常温或次高温下进行冷加工。如果在次高温下将纳米陶瓷颗粒加工成形，然后做表面退火处理，就可以使纳米材料成为一种表面保持常规陶瓷材料的硬度和化学稳定性，而内部仍具有纳
米材料的延展性的高性能陶瓷。 3、纳米传感器 纳米二氧化锆、氧化镍、二氧化钛等陶瓷对温度变化、红外线以及汽车尾气都十分敏感。因此，可以用它们制作温度传感器、红外线检测仪和汽车尾气检测仪，检测灵敏度比普通的同类陶瓷传感器高得多。 4、纳米倾斜功能材料 在航天用的氢氧发动机中，燃烧室的内表面需要耐高温，其外表面要与冷却剂接触。因此，内表面要用陶瓷制作，外表面则要用导热性良好的金属制作。但块状陶瓷和金属很难结合在一起。如果制作时在金属和陶瓷之间使其成分逐渐地连续变化，让金属和陶瓷“你中有我、我中有你”，便能结合在一起形成倾斜功能材料，它的意思是其中的成分变化像一个倾斜的梯子。当用金属和陶瓷纳米颗粒按其含量逐渐变化的要求混合后烧结成形时，就能达到燃烧室内侧耐高温、外侧有良好导热性的要求。 5、纳米半导体材料 将硅、砷化镓等半导体材料制成纳米材料，具有许多优异性能。例如，纳米半导体中的量子隧道效应使某些半导体材料的电子输运反常、导电率降低，电导热系数也随颗粒尺寸的减小而下降，甚至出现负值。这些特性在大规模集成电路器件、光电器件等领域发挥重要的作用。 利用半导体纳米粒子可以制备出光电转化效率高的、即使在阴雨天也能正常工作的新型太阳能电池。由于纳米半导体粒子受光照射时产生的电子和空穴具有较强的还原和氧化能力，因而它能氧化有毒的无机物，降解大多数有机物，然后生成无毒、无味的二氧化碳、水等，所以，可以借助半导体纳米粒子利用太阳能
纳米材料综述要点
纳米材料综述 一、基本定义 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。 1、纳米 纳米是一种长度单位，1纳米=1×10-9米，即1米的十亿分之一，单位符 号为 nm。 2、纳米技术 纳米技术是在单个原子、分子层次上对物质的种类、数量和结构形态进行 精确的观测、识别和控制的技术，是在纳米尺度范围内研究物质的特性和 相互作用，并利用这些特性制造具有特定功能产品的多学科交叉的高新技 术。其最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原子、分子，制造出 具有特定功能的产品。 纳米技术的发展大致可以划分为3个阶段： 第一阶段(1990年即在召开“Nano 1”以前主要是在实验室探索各种纳米粉体的制备手段，合成纳米块体(包括薄膜，研究评估表征的方法，探索纳米材料的特殊性能。研究对象一般局限于纳米晶或纳米相材料。 第二阶段 (1990年～1994年人们关注的热点是设计纳米复合材料： ?纳米微粒与纳米微粒复合(0-0复合， ?纳米微粒与常规块体复合(0-3复合， ?纳米复合薄膜(0-2复合。 第三阶段(从1994年至今纳米组装体系研究。它的基本内涵是以纳米颗粒 以及纳米丝、管等为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系的研究。 3、纳米材料 材料基本构成单元的尺寸在纳米范围即1~100纳米或者由他们形成的材料就称为纳米 材料。纳米材料和宏观材料迥然不同，它具有奇特的光学、电学、磁学、热学和力学等方面的性质。
图1 纳米颗粒材料SEM图 二、纳米材料的基本性质 由于纳米材料是由相当于分子尺寸甚至是原子尺寸的微小单元组成，也正因为这样，纳米材料具有了一些区别于相同化学元素形成的其他物质材料特殊的物理或是化学特性例如：其力学特性、电学特性、磁学特性、热学特性等，这些特性在当前飞速发展的各个科技领域内得到了应用。科学家们和工程技术人员利用纳米材料的特殊性质解决了很多技术难题，可以说纳米材料特性促进了科技进步和发展。 1、力学性质 高韧、高硬、高强是结构材料开发应用的经典主题。具有纳米结构的材料强度与粒径成反比。纳米材料的位错密度很低，位错滑移和增殖符合Frank-Reed模型，其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径还要大，增殖后位错塞积的平均间距一般比晶粒大，所以纳米材料中位错滑移和增殖不会发生，这就是纳米晶强化效应。金属陶瓷作为刀具材料已有50多年历史，由于金属陶瓷的混合烧结和晶粒粗大的原因其力学强度一直难以有大的提高。应用纳米技术制成超细或纳米晶粒材料时，其韧性、强度、硬度大幅提高，使其在难以加工材料刀具等领域占据了主导地位。使用纳米技术制成的陶瓷、纤维广泛地应用于航空、航天、航海、石油钻探等恶劣环境下使用。 2、热学性质 纳米材料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非晶体材料的值，这是由于界面原子排列较为混乱、原子密度低、界面原子耦合作用变弱的结果。因此在储热材料、纳米复合材料的机械耦合性能应用方面有其广泛的应用前景。例如Cr-Cr2O3颗粒膜对太阳光有强烈的吸收作用，从而有效地将太阳光能转换为热能。 3、电学性质 由于晶界面上原子体积分数增大，纳米材料的电阻高于同类粗晶材料，甚至发生尺寸诱导金属——绝缘体转变（SIMIT）。利用纳米粒子的隧道量子效应和库仑堵塞效应制成的纳米电子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特点，有可能在不久的将来全面取代目前的常规半导体器件。2001年用碳纳米管制成的纳米晶体管，表现出很好的晶体三极管放大特性。并根据低温下碳纳米管的三极管放大特性，成
高压对氮化硼纳米管的几何结构_电子结构和光学性质的影响
高压对氮化硼纳米管的几何结构、电子结构和 光学性质的影响 * 何开华 1) 郑 广 1) 吕 涛 1) 陈 刚 1) 姬广富 2) 1)(中国地质大学数学与物理学院,武汉 430074) 2)(中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理国防重点实验室,绵阳 621900) (2005年11月29日收到;2005年12月12日收到修改稿) 运用密度泛函理论平面波赝势方法(PWP)和广义梯度近似(GGA),计算研究了纳米管BN(5,5)在不同压力条件下的几何结构、电子结构和光学性质.在高压条件下管口形状发生了较大的变化.与闪锌矿结构BN 比较分析发现两种结构间存在一些性质上的差异:首先,在外压力作用下,BN(5,5)纳米管的带隙随压力增大而减小,变化率为-0 01795eV GPa,而闪锌矿结构BN 随压力增大而增大;其次光吸收谱在压力条件下,没有和闪锌矿结构B N 一样发生 蓝移 ,相反在红外方向有所拓展;但纳米管BN(5,5)电子的转移方向和立方B N 相同,与BP(5,5)相反.通过分析电子态密度图,纳米管BN(5,5)有较强的离子性,随着压力的增大离子性减弱. 关键词:氮化硼纳米管,密度泛函理论(DFT),电子结构PACC :7115B,7120 *中国工程物理研究院自然科学基金(批准号:20030103)资助的课题. 通讯联系人.E_mail:c yfjkf@https://www.wendangku.net/doc/732256224.html, 1 引言 纳米碳管自1991年[1] 被发现以来,因具有一系列特殊的物理化学性能及其在应用领域的广阔前景,一直是理论和实验工作者们研究的热点.1992年发现的非碳纳米管同样引起了人们的研究热潮,尤其是由! ?族二元化合物所构成的非碳纳米管因具有很好的应用前景,人们更是给予了特别多的关注.1995年,Zettl 等人[2] 首先在实验中观察到BN 纳米管结构的存在,随后又发展了多种制备BN 纳米管的方法.但在理论研究方面迄今报道不多, Rubio 等人[3] 用紧束缚近似(TB)方法计算研究了BN 纳米管,发现其电子结构和碳纳米管的非常类似,即 其亚层电子间既有sp 2杂化又有sp 3 杂化,通过计算电子能带结构证实各种B N 纳米管均为半导体. Blas 等人[4] 用局域密度近似(LDA)计算得到在较大直径时其带隙维持在5 5eV,不受管的直径和手型的影响,比其他大多数管状半导体要高出约2e V.Acdim 等人[5] 用FP_LC AO 和PW_PP 方法对比研究了锯齿型BN 纳米管和扶手椅型B N 纳米管的力学性 质和电子结构,并与碳纳米管的性质作了比较.最 近Wu 等人[6] 对B N (8,0)纳米管进行了氢吸附研究. 闪锌矿结构是环境条件下的稳定结构,有关此结构的物理化学性质报道很多[7#9] ,其在物理性质上表现出与其他的半导体不一样的地方,如:(1)硬度要比其他半导体化合物的硬度高许多;(2)带隙随压力的增大而增大,其他硼化合物半导体的带隙随压力的增大而减小;(3)在压力下,电子的转移方向不同,在B N 中硼原子的电子向氮原子转移,而在B P 中,磷原子的电子向硼原子转移.以上几点性质在纳米管结构中是否依然存在,还未曾见报道.本文采用基于密度泛函理论的第一性原理,计算研究了纳米管B N(5,5)在高压下的几何结构、电子结构和光学性质,并与文献中有关闪锌矿结构B N 的报道作了比较. 2 计算方法和模型 本文的计算基于密度泛函理论的平面波基组的 赝势(PWP)从头算法[10] ,此方法已成功运用在各类 第55卷第6期2006年6月1000 3290 2006 55(06) 2908 06 物 理 学 报 AC TA PHYSIC A SINICA Vol.55,No.6,June,2006 2006Chin.Phys.Soc.
纳米材料的力学和电学性能
纳米材料地力学和电学性能及其应用 摘要：主要介绍了纳米材料地力学性能（包括超硬、高强、高韧、超塑性以及高性能陶瓷）和电学性能（包括压敏材料、量子器材、非线性电阻等），以及这些性能地应用. 关键词：纳米材料；力学性能；电学性能；应用领域. 随着人类社会地发展和进步，现代科学技术探索地主要领域有：航空航天、火箭、卫星；热核反应发电站；深海探索；高温燃气轮机；高压贮罐以及生物环境仿生学等.在大多数情况下，其工作条件非常复杂和恶劣.如：超高压、超高温、超真空、强辐射、强腐蚀等，这些恶劣地条件对我们地材料提出了更高地要求.而传统地金属、非金属等材料已经远远不能满足这些极其苛刻地要求了，这就需要我们发展新型地高性能材料.这时，纳米材料以其卓越地性能进入了人们地视野，纳米材料在力学和电学方面地性能满足了多领域地需求.文档收集自网络，仅用于个人学习 普通多晶材料地强度(或硬度).随晶粒尺寸地变化通常服从一关系 Σ＝σ＋ｋｄ－１／２ 其中,为σ一强度常数, 为一正常数.即随晶粒细化材料地强度(或硬度)按－１／２关系线性增大.等人利用分子动力学计算模拟,发现在０及,纳米(晶粒尺寸在一范围)屈服强度和流变强度均表现出反常一关系,即< .表明“ 理想” 纳米材料(无污染、全致密、完全驰豫态、细小均匀晶粒) 地性能可能与常规多晶材料完全不同.文档收集自网络，仅用于个人学习 材料超塑变形基本上是晶界在高温下滑移造成地.根据晶界滑移地理论模型, 如晶界扩散蠕变模型, 其形变速率ε可表述为文档收集自网络，仅用于个人学习 ε＝ＢωσξＤｇｂ／ｄ３ＫＴ 其中σ为拉伸应力,ω为原子体积, 为平均晶粒尺寸, 为常数, Ｄｇｂ为晶界扩散率, ξ为晶界厚度, 为常数.文档收集自网络，仅用于个人学习 介电特性是材料地重要性能之一, 当材料处于交变电场下, 材料内部会发生极化, 这种极化过程对交变电场有一个滞后响应时间, 即弛豫时间.弛豫时间长, 则会产生较大地介电损耗.纳米材料地微粒尺寸对介电常数和介电损耗有很大影响, 介电常数与交变电场地频率也有密切关系.例如纳米在频率不太高地电场作用下,介电常数是随粒径增大而增大,达到最大值后下降,出现介电常数最大值时地粒径为.一般讲, 纳米材料比块体材料地介电常数要大, 介电常数大地材料可以应用于制造大容量电容器, 或者说在相同电容量下可减小体积, 这对电子设备地小型化来讲很有用. 文档收集自网络，仅用于个人学习 一维纳米材料有望成为纳米装置中地连接线和功能单元，如用做扫描隧道显微镜()地针尖、光导纤维、超大规模集成电路() 中地连线、微型钻头等.文档收集自网络，仅用于个人学习一维纳米材料在光电转换效应方面有很多特有地性能，当金属纳米微粒埋藏于半导体介质中，纳米微粒要向周围介质输运电子，在微粒表面形成电荷积累，于是界面地等效位垒高度降低，当电子受到光地激发，电子容易逸出薄膜表面而发射到真空中去.文档收集自网络，仅用于个人学习 纳米材料在微电子学上地应用：连接超高密度集成线路元件地纳米导线，日本理化研究所科学家青野正和等使用有机导电高分子材料研制出线宽仅为纳米地极微细导线, 大大突破了现在半导体加工技术地极限线宽; 文档收集自网络，仅用于个人学习 制备金属鲍缘体多层膜地新方法,中国科技大学通过紫外光照射地方法将有机混合溶液中地无机盐还原,合成出被有机配位体所包裹地稳定地纳米颗粒; 然后利用电泳法将这些有机配位体包裹地纳米粒子沉淀到涂碳显微栅格上; 文档收集自网络，仅用于个人学习纳米陶瓷基板,低温共烧多层基板(),可采用一等电阻率低地金属作多层布线导体材料, 可使布线更加细微化,提高布线密度和组装密度;文档收集自网络，仅用于个人学习
(完整版)纳米材料四大效应及相关解释
纳米材料四大效应及相关解释 四大效应基本释义及内容： 量子尺寸效应：是指当粒子尺寸下降到某一数值时，费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级或者能隙变宽的现象。当能级的变化程度大于热能、光能、电磁能的变化时，导致了纳米微粒磁、光、声、热、电及超导特性与常规材料有显著的不同。 小尺寸效应：当颗粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏，非晶态纳米粒子的颗粒表面层附近的原子密度减少，导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现新的物理性质的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒而言，尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加，从而产生如下一系列新奇的性质。 表面效应：球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积（表面积/体积）与直径成反比。随着颗粒直径的变小，比表面积将会显著地增加，颗粒表面原子数相对增多，从而使这些表面原子具有很高的活性且极不稳定，致使颗粒表现出不一样的特性，这就是表面效应。 宏观量子隧道效应：当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒。近年来，人们发现一些宏观量，例如微颗粒的磁化强度，量子相干器件中的磁通量等亦有隧道效应，称为宏观的量子隧道效应。 四大效应相关解释及应用： 表面效应 球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积(表面积/体积)与直径成反比。随着颗粒直径的变小比表面积将会显著地增加。例如粒径为10nm时，比表面积为90m2/g；粒径为5nm时，比表面积为180m2/g；粒径下降到2nm时，比表面积猛增到450m2/g。粒子直径减小到纳米级，不仅引起表面原子数的迅速增加，而且纳米粒子的表面积、表面能都会迅速增加。这主要是因为处于表面的原子数较多，表面原子的晶场环境和结合能与内部原子不同所引起的。表面原子周围缺少相邻的原子，有许多悬空键，具有不饱
纳米晶体
纳米晶体 摘要：本文主要介绍了金属纳米晶体、金属氧化物纳米晶体和一些其他纳米晶体的合成方法，并对它们的性能做了些简单的介绍。纳米晶体有许多独特优异的性能，本文对相关的纳米晶体的应用也进行了介绍，随着纳米晶体制备技术的发展，纳米晶体的应用会更加广泛。 关键词：纳米晶体；金属；金属氧化物 0引言 纳米材料是指组分尺寸至少在某一个维度上介于1～100nm之间的材料。纳米材料就其结构上可以分为纳米晶体、纳米颗粒、纳米粉末、纳米管等。由于纳米材料的纳米尺寸效应，使得纳米材料出现了许多不同于常规条件下的材料性能，例如光学性、电导性、抗腐蚀性等，因此人们对纳米材料在未来材料领域的应用与发展寄予了很大期望。但由于纳米材料在结构上存在表面效应和小尺寸效应，使其能量高于平衡态，表面上原子数增多，具有较高的表面能，使得这些表面原子具有较高的活性，非常不稳定，满足一定激活条件时，就会释放出过剩自由能，粒子长大，从而也将失去纳米材料所具有的特性，使块状纳米材料的制备产生困难。而纳米晶体由于晶界数量增加，使材料的强度、密度、韧性等性能大为改善。 纳米晶体指的具有纳米尺度的晶体材料。本文将分类介绍有关纳米晶体在制备、性能、应用等方面的研究进展。 1金属纳米晶体 同传统的金属晶体相比，金属纳米晶体材料由金属纳米晶粒构成,其晶粒尺寸很小( < 100 nm) ,晶界比例很大(30% ～50% ) ,晶体的缺陷密度很高,因此它所表现出来的性能,尤其是对结构敏感的性能与粗晶材料有很大差别。 刘伟[1]等用纯度为99.8%的紫铜丝作为原料，采用自悬浮定向流技术制备出金属Cu纳米粉末，制得平均晶粒尺寸为25 nm的金属Cu纳米晶体材料，其显微硬度为1155～1190GPa,约为普通粗晶Cu材料的3～4倍,硬度随压制工艺而变化，压力增大，保压时间延长,硬度增大. 且样品硬度值受表面抛光的影响。 李才臣[2]等以工业纯铝粉为原料，采用高能球磨法制备了纯铝纳米晶体并对其硬度进行了分析，经实验发现，球磨12 小时后可得平均晶粒尺寸约34nm, 而且此时的硬度最高，可达111HV, 纯铝纳米晶的硬度随着球磨时间的延长先升高后降低，随温度的增加先升高后下降。 对于金属纳米晶体的研究不仅局限在制备方法和显微硬度方面，对于纳米晶体的生长形态和结构稳定性方面也有相关的研究。 张吉晔[3]等对Ag纳米晶体的生长形态进行了相关的研究。他们在利用电化学方法在ITO 基板上沉积出银纳米晶体，然后研究了ITO基板上的沉积电位对Ag纳米晶体生长形态的影响。如图1所示，(a)和(b)中的银纳米粒子具有良好的分散性，粒径较均匀，此时沉积电位为0.3 V 时，粒子的分布密度较小。在(c)中，晶体形貌具有显著的羽毛状形态。(d)中银纳米晶体
纳米材料的热学特性
纳米材料的热学特性 【摘要】：纳米材料的应用及其广泛，涉及到各个领域。本文将从纳米材料的热容，晶格参数，结合能，内聚能，熔点，溶解焓，溶解熵及纳米材料参与反应时反应体系的化学平衡等方面对纳米材料的热学性质的研究进行阐述，并对纳米材料热学的研究和应用前景进行了展望。 【关键词】：纳米材料热学特性发展前景 【正文】： （一）纳米材料 纳米材料是一种既不同于晶态，又不同于非晶态的第三类固体材料，通常指三维空间尺寸至少有一维处于纳米量级( 1 n m～1 0 0 n m)的固体材料。由于纳米材料粒径小，比表面积大，处于粒子表面无序排列的原子百分比高达l 5 ～5 0 ％。纳米粒子的这种特殊结构导致其具有不同于传统材料的物理化学特性。 纳米材料的高浓度界面及原子能级的特殊结构使其具有不同于常规块体材料和单个分子的性质，纳米材料具有表面效应，体积效应，量子尺寸效应宏观量子隧道效应等，从而使得纳米材料热力学性质具有特殊性，纳米材料的各种热力学性质如晶格参数，结合能，熔点，熔解焓，熔解熵，热容等均显示出尺寸效应和形状效应。可见，纳米材料热力学性质在各方面均显现出与块体材料的差异性，研究纳米材料的热力学性质具有极其重要的科学意义和应用价值。 （二）热学特性 一热容 1996年，在低温下测定了纳米铁随粒度变化的比热，发现与正常的多晶铁相比，纳米铁出现了反常的比热行为，低温下的电子比热系数减50 %。1998年，通过研究了粒度和温度对纳米粒子热容的影响，建立了一个预测热容的理论模型，结果表明:过剩的热容并不正比于纳米粒子的比表面，当比表面远小于其物质的特征表面积时，过剩的热容可以认为与粒度无关。2002年，又把多相纳米体系的热容定义为体相和表面相的热容之和，因为表面热容为负值，所以随着粒径的减小和界面面积的扩大，将导致多相纳米体系总的热容的减小，二.晶格参数，结合能，内聚能 纳米微粒的晶格畸变具有尺寸效应，利用惰性气体蒸发的方法在高分子基体上制备了1. 45nm 的pd纳米微粒，通过电子微衍射方法测试了其晶格参数，发现Pd 纳米微粒的晶格参数随着微粒尺寸的减小而降低。结合能的确比相应块体材料的结合能要低。通过分子动力学方法，模拟Pd 纳米微粒在热力学平衡时的稳定结构，并计算微粒尺寸和形状对 晶格参数和结合能的影响，定量给出形状对晶格参数和结合能变化量的贡献研究表明:在一定的形状下，纳米微粒的晶格参数和结合能随着微粒尺寸的减小而降低，在一定尺寸时，球形纳米微粒的晶格参数和结合能要高于立方体形纳米微粒的相应量。 三纳米粒子的熔解热力学 熔解温度是材料最基本的性能，几乎所有材料的性能如力学性能，物理性能以及化学性能都是工作温度比熔解温度( T /Tm )的函数，除了熔解温度外，熔解焓和熔解熵也是描述材料熔解热力学的重要参量；熔解焓表示体系在熔解的过程中，吸收热量的多少，而熔解熵则是体系熔解过程中熵值的变化。几乎整个熔解热力学理论就是围绕着熔解温度，熔解熵和
纳米材料的背景意义
纳米知识介绍 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。 纳米 纳米是一种长度单位，1纳米=1×10-9米，即1米的十亿分之一，单位符号为 nm。 纳米技术 纳米技术是在单个原子、分子层次上对物质的种类、数量和结构形态进行精确的观测、识别和控制的技术，是在纳米尺度范围内研究物质的特性和相互作用，并利用这些特性制造具有特定功能产品的多学科交叉的高新技术。其最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原子、分子，制造出具有特定功能的产品。 纳米技术的发展大致可以划分为3个阶段： 第一阶段(1990年即在召开“Nano 1”以前)主要是在实验室探索各种纳米粉体的制备手段，合成纳米块体(包括薄膜)，研究评估表征的方法，探索纳米材料的特殊性能。研究对象一般局限于纳米晶或纳米相材料。 第二阶段 (1990年～1994年)人们关注的热点是设计纳米复合材料： ?纳米微粒与纳米微粒复合(0-0复合)， ?纳米微粒与常规块体复合(0-3复合)， ?纳米复合薄膜(0-2复合)。 第三阶段(从1994年至今)纳米组装体系研究。它的基本内涵是以纳米颗粒以及纳米丝、管等为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系的研究。 纳米材料 材料基本构成单元的尺寸在纳米范围即1~100纳米或者由他们形成的材料就称为纳米材料。纳米材料和宏观材料迥然不同，它具有奇特的光学、电学、磁学、热学和力学等方面的性质。 图1 纳米颗粒材料SEM图 一、纳米材料的基本特性 由于纳米材料是由相当于分子尺寸甚至是原子尺寸的微小单元组成，也正因为这样，纳米材料具有了一些区别于相同化学元素形成的其他物质材料特殊的物理或是化学特性例如：其力学特性、电学特性、磁学特性、热学特性等，这些特性在当前飞速发展的各个科技领域内得到了应用。科学家们和工程技术人员利用纳米材料的特殊性质解决了很多技术难题，可以说纳米材料特性促进了科技进步和发展。 1、力学性质 高韧、高硬、高强是结构材料开发应用的经典主题。具有纳米结构的材料强度与粒径成反比。纳米材料的位错密度很低，位错滑移和 增殖符合Frank-Reed模型，其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径还 要大，增殖后位错塞积的平均间距一般比晶粒大，所以纳米材料中位 错滑移和增殖不会发生，这就是纳米晶强化效应。金属陶瓷作为刀具 材料已有50多年历史，由于金属陶瓷的混合烧结和晶粒粗大的原因其
举例说明纳米材料的结构与其性质的关系.
代鹏程无机化学2009级硕博连读学号:200911461 题目:举例说明纳米材料的结构与其性质的关系 答: 目录 1、纳米材料定义 2、纳米材料的结构 3、纳米材料的性能 4、以量子点为例说明纳米材料结构与其性质的关系 5、以纳米线为例说明纳米材料结构与其性质的关系 1、纳米材料定义 纳米材料是纳米级结构材料的简称。狭指由纳米颗粒构成的固体材料,其中纳米颗粒的尺寸最多不超过100纳米,在通常情况下不超过10纳米;从广义上说,纳米材料,是指微观结构至少在一维方向上受纳米尺度(1~100nm限制的各种固体超细材料,它包括零维的原子团簇(几十个原子的聚集体和纳米微粒;一维纳米纤维;二维纳米微粒膜(涂层及三维纳米材料。 2、纳米材料的结构 材料学研究认为:材料的结构决定材料的性能,同时材料的性能反映材料的结构。纳米材料也同样如此。对于纳米材料,其特性既不同于原子,又不同于结晶体,可以说它是一种不同于本体材料的新材料,其物理化学性质与块体材料有明显的差异。
纳米材料的结构特点是:纳米尺度结构单元,大量的界面或自由表面,以及结构单元与大量界面单元之间存在的交互作用。在结构上,大多数纳米粒子呈现为理想单晶,也有呈现非晶态或亚稳态的纳米粒子。纳米材料的结构上存在两种结构单元;即晶体单元和界面单元。晶体单元由所有晶粒中的原子组成,这些原子严格地位于晶格位置;界面单元由处于各晶粒之间的界面原子组成,这些原子由超微晶粒的表面原子转化而来。 纳米材料由于非常小,使纳米材料的几何特点之一是比表面积(单位质量材料的表面积很大,一般在102~104m2/g。它的另一个特点是组成纳米材料的单元表面上的原子个数与单元中所有原子个数相差不大。例如:一个由5个原子组成的正方体纳米颗粒,总共有原子个数53=125个,而表面上就有约89个原子,占了纳米颗粒材料整体原子个数的71%以上。这些特点完全不同于普通的材料。例如,普通材料的比表面积在10m2/g以下,其表面原子的个数与组成单元的整体原子个数相比较完全可以忽略不计。 由于以上纳米材料的两上显著不同于普通材料的几何特点,从物理学的观点来看,就使得纳米材料有两个不同于普通材料的物理效应表现出来,这是一个由量变到质变的过程。一个效应我们称之为量子尺寸效应,另一个被称之为表面效应。量子尺寸效应是由于材料的维度不断缩小时,描述它的物理规律完全不同 于宏观(普通材料的规律,不但要用描述微观领域的量子力学来描述,同时要考虑到有限边界的实际问题。关于量子尺寸效应处理物理问题,到目前为止,还没有一个较为成熟的适用方法。表面效应是由于纳米材料表面的原子个数不可忽略,而表面上的原子又反受到来自体内一侧原子的作用,因此它很容易与外界的物质发生反应,也就是说它们十分活泼。 纳米材料由于这两上特殊效应的存在,使得它们的物理、化学性质完全不同于普通材料。目前许多实验和应用结果已经证实,纳米材料的熔点、磁性、电容性、发光特性、水溶特性等都完全不同于普通材料。例如,将金属铜或铅做成几个纳米的颗粒,一遇到空气就会燃烧,发生爆炸;用碳纳米管做成的超级电容器,其体积比电
微纳米力学及纳米压痕表征技术
微纳米力学及纳米压痕表征技术 摘要：微纳米力学为微纳米尺度力学,即特征尺度为微纳米之间的微细结构所涉及的力学问题[1] 。纳米压痕方法是通过计算机控制载荷连续变化，并在线监测压深量[2]，适用于微米或纳米级的薄膜力学性能测试，本实验采用Oliver–Pharr方法研究了Al2O3薄膜，附着在ZnS 基底，得到了Al2O3薄膜的力学性能。 关键词：微纳米力学纳米压痕杨氏模量硬度 0引言 近年来,随着工业的现代化、规模化、产业化,以及高新技术和国防技术的发展,对各种材料表面性能的要求越来越高。20世纪80年代,现代表面技术被国际科技界誉为最具发展前途的十大技术之一。薄膜、涂层和表面处理材料的极薄表层的物理、化学、力学性能和材料内部的性能常有很大差异,这些差异在摩擦磨损、物理、化学、机械行为中起着主导作用,如计算机磁盘、光盘等,要求表层不但有优良的电、磁、光性能,而且要求有良好的润滑性、摩擦小、耐磨损、抗化学腐蚀、组织稳定和优良的力学性能。因此,世界各国都非常重视材料的纳米级表层的物理、化学、机械性能及其检测方法的研究。[3]同时随着材料设计的微量化、微电子行业集成电路结构的复杂化,传统材料力学性能测试方法已难以满足微米级及更小尺度样品的测试精度,不能够准确评估薄膜材料的强度指标和寿命 ;另外在材料微结构研究领域中, 材料研究尺度逐渐缩小,材料的变形机制表现出与传统块状材料相反的规律 ,以上趋势要求测试仪器具有高的位置分辨率、位移分辨率和载荷分辨率 ,纳米压痕方法能够满足上述测试需求。[4] 现在，薄膜的厚度己经做到了微米级,甚至于纳米级,对于这样的薄膜,用传统的材料力学性能测试方法己经无法解决。纳米压痕试验方法是一种在传统的布氏和维氏硬度试验基础上发展起来的新的力学性能试验方法。它通过连续控制和记录样品上压头加载和卸载时的载荷和位移数据,并对这些数据进行分析而得出材料的许多力学性能指标,压痕深度可以非常浅，压痕深度在纳米范围,也可以得到材料的力学性能，这样该方法就成为薄膜、涂层和表面处理材料力学性能测试的首选工具,如薄膜、涂层和表面处理材料表面力学性能测试等。 1纳米力学简介 1.1纳米材料 纳米材料是指三维空间尺度至少有一维处于纳米量级(1-100nm)的材料，它是由尺寸介于原子、分子与宏观体系之间的纳米粒子所组成的材料，是把组成相或晶粒结构控制在 100nm 以下尺寸的材料。 1.2纳米材料分类 纳米材料分类：按维数，纳米材料的基本单元可以分为: 1 零维：在空间三维尺度上均在纳米尺度，如纳米尺度颗粒，原子团簇； 2 一维：在空间有两维处于纳米尺度，如纳米丝，纳米棒，纳米管等； 3 二维：在三维空间中有一维在纳米尺度，如超薄膜，多层膜，超晶格等。 1.3纳米材料特性及其基本单元 纳米材料的基本单元：团簇、纳米微粒、纳米管、纳米带、纳米薄膜、纳米结构。