纳米材料课件.ppt

6.3.2常用儀器1．鐳射檢測原子力顯微鏡2．低溫掃描隧道顯微鏡3．真空掃描隧道顯微鏡4．彈道電子發射顯微鏡(BEEM)直接對表面下介面電子性質進行譜學研究，並能以高解析度成像的實驗技術—BEEM。6.3.3檢測技術的應用研究掃描探針顯微技術(SPM)所具有的共同特點是都有一個很細的針尖用作探針：觀察、操縱。1.STM技術的應用研究掃描探測顯微鏡不僅是人們認識納米世界的工具，還可以用來製造納米結構，改造世界。例如，借助它能夠通過一個超級尖端來施加電壓，準確地移動原子或分子，把不同的分子彼此連接起來(這些分子在自然狀態下本來可能永遠也不能相結合)，構築出全新的物質。在超高真空中，用STM技術移動Si(111)面上的原子形成“中國”字樣原子操作過程的STM像由於STM對工作環境的要求相當寬鬆，可以在大氣、真空、溶液、低溫、高溫等各種環境下工作，這使得STM技術可以廣泛地應用於表面化學研究，例如，可以原位研究表面上發生的各種化學反應；研究各種表面吸咐和表面催化問題；直接在溶液中考察電化學沉積和電化學腐蝕過程等。2.AFM技術的應用研究AFM是依靠尖端曲率半徑很小的微懸臂針尖接觸在表面上進行成像，所得到的圖像是針尖與樣品真實形貌卷積後的結果，如圖6.3-7所示，實線代表樣品的真實形貌，虛線就是針尖掃描所得到的表觀圖像。利用AFM針尖與樣品之間的相互作用力可以搬動樣品表面的原子分子，實現原子分子操縱，而且可以利用此作用力改變樣品的結構，從而對其性質進行調製。目前AFM對於碳納米管和生物分子的操縱研究較多。無數的生命過程，如DNA複製、蛋白質合成、資訊傳遞等都是由分子間力控制的，而AFM對微小相互作用力的靈敏度使其成為探測這些相互作用的有效工具。單分子力譜和高分辨成像的結合使得分析生物分子的分子內、分子間作用力成為可能。很多科學家利用功能化AFM針尖來研究單個生物分子的力學性質。納米材料6.1納米科技及納米材料應用進展21世紀，資訊科學技術和生命科學技術是科學技術發展的主流，它們的發展將使這些科學技術逐步走向更好、更快、更強和更加對環境友好的境地。一種非常普遍的觀點認為，資訊和生命科學技術能夠進一步發展的共同基礎是納米科學技術。掃描隧道顯微鏡在納米科技中佔有重要的地位，它貫穿到這7個相對獨立的分支領域中。6.1.2納米材料的種類納米材料是指顯微結構中的物相具有納米級尺度的材料。它包含了三個層次，即：納米微粒、納米固體和納米組裝體系。納米組裝體系又可以分為納米陣列體系、介孔組裝體系和薄膜鑲嵌體系。6.1.3納米材料的特異性能納米結構材料的特性是由所組成微粒的尺寸、相組成和介面這三個方面的相互作用來決定的。納米微粒是由有限數量的原子或分子組成的、保持原來物質的化學性質並處於亞穩狀態的原子團或分子團。當物質的線度減小時，其表面原子數的相對比例增大，使單原子的表面能迅速增大。進入納米尺度時，此種形態的變化回饋到物質結構和性能上，就會顯示出奇異的效應，這裏介紹幾種最基本的物理效應。1.小尺寸效應納米材料中的微粒尺寸小到與光波波長或德布羅意波波長、超導態的相干長度等物理特徵相當或更小時，晶體週期性的邊界條件被破壞，非晶態納米微粒的顆粒表面層附近原子密度減小，使得材料的聲、光、電、磁、熱、力學等特性表現出改變而導致出現新的特性。人們把納米顆粒的小尺寸所引起的宏觀物理性質的變化稱為小尺寸效應。金的熔點1064oC，10nm1037oC，2nm327oC銀的熔點690oC，超細銀粉100oC2.表面效應3.宏觀量子隧道效應6.2納米材料的製備納米材料的形態和狀態取決於納米材料的製備方法，新材料製備工藝和設備的設計、研究和控制對納米材料的微觀結構和性能具有重要的影響。6.2.1納米粉體的合成納米-微米複合材料可細分為晶內型納米複合材料和晶界型納米複合材料兩大類。但是實際製備中往往二者兼而有之，很難獲得單純一種納米相處於晶內或晶界的納米-微米複合材料，詳見結構示意圖6.2-1。6.2.2納米複合材料的製備()6.2.3碳納米管的製備日本NEC公司基礎研究實驗室的電鏡專家SumioIijima博士也許是第一個看見碳納米管的人，但絕不是第一個製造者。事實上，舊石器時代的古人也許不知不覺地在他們山洞取暖的火中已經製備出了極少量的碳納米管。被加熱分解的碳原子在碳灰中重新結合起來，形成各種各樣的產物，一些是非晶渣塊，另一些是巴基球或巴基管。6.3納米結構測試技術1981年，物理學家G.Hinning和H.Rohrer發明了掃描隧道顯微,簡稱