纳米材料的结构分析与表征
相关主题
- 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)。
.
下图（4.1）示出了Si(001)表面上发生分 （ads）解反应前后的STM图像变化。 当清洁的Si(001)表面暴露于Si2H6气体后， 发生Si2H6分子的分解性吸附，在图中可 以分辨出SiH3 SiH2碎片。碎片在室温下 不稳定，容易进一步分解为吸附态的 SiH2（ads）和H（ads）。
.
事实上，衍射方法中只能提供有关相 对简单的以及有完整周期性的表面信 息，大而复杂的结构是衍射方法所无 能为力的。在实空间内非周期性结构， 例如缺陷及局域变异总是存在。发明 STM 之 前 ， 没 有 办 法 确 定 这 些 非 周 期结构。
.
利用STM解决表面科学问题的一个著名实例是 Si(111)表面的7×7重构结构。在超高真空条件 下 ， 对 Si(111) 表 面 在 1200℃ 瞬 间 加 热 ， 在 约 830℃以下的温度领域会出现稳定的7×7重构结 构。 关于Si(111) 7×7重构细节，在STM出现之前已 经困扰了人们多年。Binnig, Golovchenko以及 Demuth等研究小组的STM研究结果解决了这一 难题，支持了Takayanagi等人基于电子显微学
.
STM实验可以在大气、真空、溶液、惰 性气体甚至反应性气体等各种环境中进行， 工作温度可以从绝对零度到摄氏几百度。 这种设备的灵敏度已达到了0.01nm的纵向 分辨率。
其用途非常广泛，可用于原子级空间分 辨的表面结构观测，用于研究各种表面物 理化学过程和生物体系。STM还是纳米结 构加工的有力工具，可用于制备纳米尺度 的超微结构，还可用于操纵原子和分子等。
分析而独立提出的二聚物－吸附原子－堆垛层
错（DAS）模型。
.
4.1.2 表面化学反应研究
STM对工作环境的要求相当宽松，可以在 大气、真空、溶液、低温、高温等各种环 境下工作，这是STM技术的一个重要特色。 这种特色给各种各样的表面化学研究提供 了极大的方便。例如，可以原位研究表面 上发生的各种化学反应；研究各种表面吸 附和表面催化问题。直接在溶液中考察电 化学沉积和电化学腐蚀过程等。
.
高分辨电子显微镜、电子散射、中子散 射、原子力显微镜(AFM)、Ｘ射线光电 子谱、扫描隧道显微镜(STM)等在纳米 材料学中已作为一种有力的分析手段得 到了广泛应用。下面重点介绍几种常用 的纳米材料的结构分析与表征பைடு நூலகம்段：
.
4.1 扫描隧道显微术 STM(Scanning Tunneling Microscopy)
.
图4.1 示出了Si(001)表面上发生（ads）分解 反应前后的STM图像变化。
.
4.1.3 STM信息存储
STM不仅仅是被动的观测表面结构的工具，现在在越 来越多的被用来能动地诱导表面发生局域的物理或化 学性质的变化，以对表面进行纳米尺度加工，构建新 一代的纳米电子器件，或者发展新一代的超高密度信 息存储器件。基于STM的纳米加工已有诸多报道。自 20世纪90年代以来，许多研究人员探索利用STM进行 超高存储密度的数据存储。STM存储技术的最大优势 是其超高存储密度，原理上讲，存储单元的尺寸可以 小至单个原子。尽管存在着数据存取速度太慢等由 STM技术本身带来的问题，STM存储器件仍不失为信 息存储领域的一个重要发展方向。
第四章 纳米材料的结构分析与表征
纳米材料的分析与表征是纳米材料研究重要的一 部分。
纳米材料的化学成分可采用Ｘ射线荧光光 谱法(ＸＰＦＳ)进行分析；采用原子激光 谱(ＡＥＳ)或原子吸收光谱(ＡＡＳ)分析由 原料或制备过程带入的杂质含量；透射电 子显微镜是测量超细颗粒大小及分布最常 用最直观的手段；Ｘ射线小角散射法可用 于纳米级粉料颗粒尺寸分布的精确测定；
.
传统的化学吸附比表面法及化学碘吸附 法是测定粉料表面活性的有效方法；采 用压汞法测定粉末、成型素坯中气孔分 布，可供进一步分析颗粒堆积和团聚状 态，有效表征粉末及素坯中团聚体的强 度及含量；在纳米材料的研究中， Mossbauer光谱可提供颗粒尺寸、界面 结构、界面磁性、晶化和非晶化、磁有 序、磁性起伏等信息。
.
实事上，在连续扫描同一表面区域8min后， 的确观察到SiH3（ads）区域的突然变化。与 此同时，在STM图像上出现一个反映H原子 特征的凹陷部位。图中从b到c可以清楚地看 到这种变化。迄今为止，高温条件下半导体 表面上发生的各种化学反应已有诸多报道， 涉及表面生长、掺杂等半导体器件研究相关 的各种过程。
.
图4.2 Z.S . Lou, Q.W. Chen and Y. T. Qian等用下面反应 CCl4 + 4Na 700℃, Ni-Co C (diamond) + 4NaCl 的方法制备的纳米金刚石的SEM照片。
.
4.2 扫描电镜(SEM)
即扫描电子显微镜方法，测试中，电子从样 品表面掠射，得到分布于样品中的纳米粒子 的投影分布。SEM的制样非常重要。这里介 绍两中重要的制样方法，一是液氮中脆断的 方法，将样品在液氮中冷冻，使变脆得到新 鲜的断口，然后在断口喷镀金，即可得到样 品。二是将样品进行切片，通常用金刚石刀 片 切 割 ， 切 片 厚 度 应 在 100-500nm 为 最 佳 。 下面的几幅图是金刚石的SEM照片：
.
4.1.1 表面结构观测
STM是研究表面原子结构的强有力的工具，尽 管有些时候并不能将STM 图像的结构细节简单 地归结为原子的空间排布情况。在STM发明之 前，表面原子结构研究主要作用各种衍射方法， 诸如低能电子衍射和电子束散射等。这些方法 只能给出倒格矢空间的信息，通过一定的模型 经傅立叶变换解析出实空间原子排列结构。常 常发生的情况是不同作者提出的模型并不相同， 甚至相互抵触。
•扫 描 隧 道 显 微 术 简 称 STM ， 是 IBM 苏 黎 士 实 验室的G.Binnig博士和H.Rohrer博士及其同事 们发明的。STM的工作始于1978年末，1982年 在CaIrSn4单晶上获得第一张单原子台阶像， 1983年获得第一张Si（111）－7×7表面重构像， 从而宣告了具有原子级空间分辨能力的新一代 显微镜的诞生。1986年G.Binnig和H.Rohrer发 明电子显微镜,一道获得诺贝尔物理学奖。
下图（4.1）示出了Si(001)表面上发生分 （ads）解反应前后的STM图像变化。 当清洁的Si(001)表面暴露于Si2H6气体后， 发生Si2H6分子的分解性吸附，在图中可 以分辨出SiH3 SiH2碎片。碎片在室温下 不稳定，容易进一步分解为吸附态的 SiH2（ads）和H（ads）。
.
事实上，衍射方法中只能提供有关相 对简单的以及有完整周期性的表面信 息，大而复杂的结构是衍射方法所无 能为力的。在实空间内非周期性结构， 例如缺陷及局域变异总是存在。发明 STM 之 前 ， 没 有 办 法 确 定 这 些 非 周 期结构。
.
利用STM解决表面科学问题的一个著名实例是 Si(111)表面的7×7重构结构。在超高真空条件 下 ， 对 Si(111) 表 面 在 1200℃ 瞬 间 加 热 ， 在 约 830℃以下的温度领域会出现稳定的7×7重构结 构。 关于Si(111) 7×7重构细节，在STM出现之前已 经困扰了人们多年。Binnig, Golovchenko以及 Demuth等研究小组的STM研究结果解决了这一 难题，支持了Takayanagi等人基于电子显微学
.
STM实验可以在大气、真空、溶液、惰 性气体甚至反应性气体等各种环境中进行， 工作温度可以从绝对零度到摄氏几百度。 这种设备的灵敏度已达到了0.01nm的纵向 分辨率。
其用途非常广泛，可用于原子级空间分 辨的表面结构观测，用于研究各种表面物 理化学过程和生物体系。STM还是纳米结 构加工的有力工具，可用于制备纳米尺度 的超微结构，还可用于操纵原子和分子等。
分析而独立提出的二聚物－吸附原子－堆垛层
错（DAS）模型。
.
4.1.2 表面化学反应研究
STM对工作环境的要求相当宽松，可以在 大气、真空、溶液、低温、高温等各种环 境下工作，这是STM技术的一个重要特色。 这种特色给各种各样的表面化学研究提供 了极大的方便。例如，可以原位研究表面 上发生的各种化学反应；研究各种表面吸 附和表面催化问题。直接在溶液中考察电 化学沉积和电化学腐蚀过程等。
.
高分辨电子显微镜、电子散射、中子散 射、原子力显微镜(AFM)、Ｘ射线光电 子谱、扫描隧道显微镜(STM)等在纳米 材料学中已作为一种有力的分析手段得 到了广泛应用。下面重点介绍几种常用 的纳米材料的结构分析与表征பைடு நூலகம்段：
.
4.1 扫描隧道显微术 STM(Scanning Tunneling Microscopy)
.
图4.1 示出了Si(001)表面上发生（ads）分解 反应前后的STM图像变化。
.
4.1.3 STM信息存储
STM不仅仅是被动的观测表面结构的工具，现在在越 来越多的被用来能动地诱导表面发生局域的物理或化 学性质的变化，以对表面进行纳米尺度加工，构建新 一代的纳米电子器件，或者发展新一代的超高密度信 息存储器件。基于STM的纳米加工已有诸多报道。自 20世纪90年代以来，许多研究人员探索利用STM进行 超高存储密度的数据存储。STM存储技术的最大优势 是其超高存储密度，原理上讲，存储单元的尺寸可以 小至单个原子。尽管存在着数据存取速度太慢等由 STM技术本身带来的问题，STM存储器件仍不失为信 息存储领域的一个重要发展方向。
第四章 纳米材料的结构分析与表征
纳米材料的分析与表征是纳米材料研究重要的一 部分。
纳米材料的化学成分可采用Ｘ射线荧光光 谱法(ＸＰＦＳ)进行分析；采用原子激光 谱(ＡＥＳ)或原子吸收光谱(ＡＡＳ)分析由 原料或制备过程带入的杂质含量；透射电 子显微镜是测量超细颗粒大小及分布最常 用最直观的手段；Ｘ射线小角散射法可用 于纳米级粉料颗粒尺寸分布的精确测定；
.
传统的化学吸附比表面法及化学碘吸附 法是测定粉料表面活性的有效方法；采 用压汞法测定粉末、成型素坯中气孔分 布，可供进一步分析颗粒堆积和团聚状 态，有效表征粉末及素坯中团聚体的强 度及含量；在纳米材料的研究中， Mossbauer光谱可提供颗粒尺寸、界面 结构、界面磁性、晶化和非晶化、磁有 序、磁性起伏等信息。
.
实事上，在连续扫描同一表面区域8min后， 的确观察到SiH3（ads）区域的突然变化。与 此同时，在STM图像上出现一个反映H原子 特征的凹陷部位。图中从b到c可以清楚地看 到这种变化。迄今为止，高温条件下半导体 表面上发生的各种化学反应已有诸多报道， 涉及表面生长、掺杂等半导体器件研究相关 的各种过程。
.
图4.2 Z.S . Lou, Q.W. Chen and Y. T. Qian等用下面反应 CCl4 + 4Na 700℃, Ni-Co C (diamond) + 4NaCl 的方法制备的纳米金刚石的SEM照片。
.
4.2 扫描电镜(SEM)
即扫描电子显微镜方法，测试中，电子从样 品表面掠射，得到分布于样品中的纳米粒子 的投影分布。SEM的制样非常重要。这里介 绍两中重要的制样方法，一是液氮中脆断的 方法，将样品在液氮中冷冻，使变脆得到新 鲜的断口，然后在断口喷镀金，即可得到样 品。二是将样品进行切片，通常用金刚石刀 片 切 割 ， 切 片 厚 度 应 在 100-500nm 为 最 佳 。 下面的几幅图是金刚石的SEM照片：
.
4.1.1 表面结构观测
STM是研究表面原子结构的强有力的工具，尽 管有些时候并不能将STM 图像的结构细节简单 地归结为原子的空间排布情况。在STM发明之 前，表面原子结构研究主要作用各种衍射方法， 诸如低能电子衍射和电子束散射等。这些方法 只能给出倒格矢空间的信息，通过一定的模型 经傅立叶变换解析出实空间原子排列结构。常 常发生的情况是不同作者提出的模型并不相同， 甚至相互抵触。
•扫 描 隧 道 显 微 术 简 称 STM ， 是 IBM 苏 黎 士 实 验室的G.Binnig博士和H.Rohrer博士及其同事 们发明的。STM的工作始于1978年末，1982年 在CaIrSn4单晶上获得第一张单原子台阶像， 1983年获得第一张Si（111）－7×7表面重构像， 从而宣告了具有原子级空间分辨能力的新一代 显微镜的诞生。1986年G.Binnig和H.Rohrer发 明电子显微镜,一道获得诺贝尔物理学奖。