第八章納米材料(編輯修改稿)
2024-08-28 15:28 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 圖 81插層復(fù)合法示意圖 第二節(jié) 納米材料的制備 碳納米管的制備 目前 ， 科學(xué)家們已發(fā)明 3種方法制備含量相當(dāng)高的碳納米管的煙塵 。 但至今這 3種方法還有嚴(yán)重的局限性 ， 制取的碳納米管長(zhǎng)短不一 ， 有許多缺陷和多種扭曲 。 這種方法是將兩根石墨棒連接到電源 ， 棒端間距為數(shù)毫米 。合上電閘 ， 石墨棒之間產(chǎn)生 100A的電弧 ， 使石墨氣化成為等離子體 ， 其中一些以碳納米管的形式重新凝聚 ， 按質(zhì)量計(jì)算 ，一般產(chǎn)率為 30%。 優(yōu)點(diǎn)是使用高溫并在石墨棒上加金屬催化劑 ，可以制備幾乎沒有缺陷的單層或多層碳納米管 。 缺點(diǎn)是管較短 （ 不超過 50μ m） ， 沉積時(shí)尺寸和取向都是隨機(jī)的 。 第二節(jié) 納米材料的制備 這種方法也很簡(jiǎn)單，將一塊基板放進(jìn)加熱爐里加熱至600℃ ，然后慢慢充入甲烷一類的含碳?xì)怏w。氣體分解時(shí)產(chǎn)生自由的碳原子，碳原子重新結(jié)合可能形成碳納米管。優(yōu)點(diǎn)是在三種方法中最容易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，也可能制備很長(zhǎng)的碳納米管。缺點(diǎn)是制得的碳納米管是多壁的，常常有許多缺陷。與電弧放點(diǎn)法制備的碳納米管相比，這種碳納米管抗張強(qiáng)度只有前者的十分之一。 第二節(jié) 納米材料的制備 Rice大學(xué)的 Richard Smally和他的合作者用脈沖激光代替電加熱使碳?xì)饣?，得到碳納米管。在實(shí)驗(yàn)了多種催化劑后，該小組發(fā)現(xiàn)了可大量制備單層碳納米管的條件，一般產(chǎn)率可達(dá) 70%。優(yōu)點(diǎn)是主產(chǎn)物為單層碳納米管，通過改變反應(yīng)溫度可控制管的直徑。缺點(diǎn)是需要非常昂貴的激光器，所以此法耗費(fèi)最的大。 第三節(jié) 納米結(jié)構(gòu)的檢測(cè)技術(shù) 圖 82所示為 STM的基本原理圖。圖中圓圈為原子，中間深色部分為原子核，周圍淺色部分和分散的黑點(diǎn)電子云。上面 6個(gè)原子代表探針針尖，下面 11個(gè)原子代表被測(cè)試樣面。 圖 82 STM的基本原理圖 第三節(jié) 納米結(jié)構(gòu)的檢測(cè)技術(shù) STM的基本原理是基于量子隧道效應(yīng)。在經(jīng)典力學(xué)中，當(dāng)勢(shì)壘的高度比粒子的能量大時(shí)，粒子是無(wú)法越過勢(shì)壘的。然而，根據(jù)量子力學(xué)原理，此時(shí)粒子穿過勢(shì)壘出現(xiàn)在勢(shì)壘另一側(cè)的概率并不為零。這種現(xiàn)象稱為隧道效應(yīng)。 第三節(jié) 納米結(jié)構(gòu)的檢測(cè)技術(shù) 當(dāng)針尖和樣品面的間距足夠小時(shí)（小于 ），在針尖和樣品面間施加一偏置電壓，便會(huì)產(chǎn)生隧道效應(yīng)，電子在針尖和樣品面之間流動(dòng)，形成隧道電流。在相同的偏置電壓作用下，隨著探針同樣品的間距減小，隧道電流很快增大（可增大 1~2個(gè)數(shù)量級(jí)），同時(shí)針尖原子和樣品面原子的電子云部分重疊，使兩者之間的相互作用大大增強(qiáng)。由于隧道電流隨距離呈指數(shù)形式變化，因此，樣品面上由于電子排列相成的 “ 凸凹不平 ” 的表面，導(dǎo)致隧道電流劇烈變化。檢測(cè)變化的隧道電流經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理，便能得到樣品面的原子排列情況。 STM具有空前的高分辨率（橫向可達(dá) ，縱向可達(dá)），它能直接觀察到物質(zhì)表面的原子結(jié)構(gòu)圖，從而把人們帶到了微觀世界。 第三節(jié) 納米結(jié)構(gòu)的檢測(cè)技術(shù) 圖 83所示為 AFM的基本原理示意圖，在懸臂梁上裝有微反射鏡。 AFM是基于原子間力的理論。它是利用一個(gè)對(duì)力敏感的探針探測(cè)針尖與樣品之間的相互作用力來實(shí)現(xiàn)表面成像的。 圖 83 AFM的基本原理圖 第三節(jié) 納米結(jié)構(gòu)的檢測(cè)技術(shù) 圖 84為探針針尖同被測(cè)樣品面接觸處的示意圖，圖中小圓分別代表探針同接觸面的原子，探針由凸起的樣品面處掃描到凹下的樣品面處。由于樣品面原子排列產(chǎn)生“凸凹不平”，當(dāng)探針在水平方掃描時(shí)，針尖同樣品面間的距離在垂直方向便會(huì)產(chǎn)生變化。 圖 84 針尖同試樣面接觸示意圖 第三節(jié) 納米結(jié)構(gòu)的檢測(cè)技術(shù) 針尖同樣品面間垂直方向的變化距離導(dǎo)致針尖同樣品面間原子間力的變化，變化的原子間力引起懸臂梁在垂直方向發(fā)生振動(dòng)，因此，利用激光束的偏轉(zhuǎn)可檢測(cè)出針尖同樣品面間變化的原子間力。將激光束的偏轉(zhuǎn)信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理，可得到樣品面的表面信息。在樣品面下方裝有壓電材料，用以接受計(jì)算機(jī)輸出的反饋信號(hào)，調(diào)節(jié)樣品面的高度，以達(dá)到保護(hù)探針針尖的目的。 第三節(jié) 納米結(jié)構(gòu)的檢測(cè)技術(shù) 其他類似的檢測(cè)儀器 （ AFM） 激光檢測(cè) AFM利用激光束的偏轉(zhuǎn)來檢測(cè)微懸臂的運(yùn)動(dòng) 。因?yàn)榧す馐芰扛?， 且具有單色性 ， 因此能夠提高儀器的可靠性和穩(wěn)定性 ， 避免因隧道污染所產(chǎn)生的噪音 。 同時(shí) ， 還能提高原子間作用力檢測(cè)的靈敏度 ， 大大減小微懸臂對(duì)樣品的影響 ， 擴(kuò)大儀器的適用的范圍 ， 之其更加適合于有機(jī)分子的研究 。 第三節(jié) 納米結(jié)構(gòu)的檢測(cè)技術(shù) （ STM） 許多材料的某些物理特性只有在低溫下（如液氮，液氦溫區(qū)）才能表現(xiàn)出來，在室溫下很難觀測(cè)到或者根本觀察不到。因此，為了開展對(duì)材料的低溫性質(zhì)研究，首先要研究低溫下工作的STM（簡(jiǎn)稱低溫 STM）。 （ STM） STM技術(shù)獲得的信息來自表面單層原子，因而該技術(shù)對(duì)表面清潔度非常敏感。有些樣品表面易被雜質(zhì)吸附，有些還呈氧化態(tài)，因此有必要建立一套加工工藝，能夠獲得清潔而真實(shí)的樣品表面，并且在實(shí)驗(yàn)過程中能保持樣品的這種狀態(tài)，以便在超高真空環(huán)境下進(jìn)行 STM 的工作。這種 STM簡(jiǎn)稱真空 STM。 第三節(jié) 納米結(jié)構(gòu)的檢測(cè)技術(shù) （ BEEM） 半導(dǎo)體材料的發(fā)現(xiàn)和使用導(dǎo)致人們需要對(duì)其表面和界面性質(zhì)進(jìn)行全面了解。常規(guī)的表面分析技術(shù)不能用來研究表面下界面的結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)。BEEM的誕生解決了這一問題，它是一種能直接對(duì)表面下界面電子性質(zhì)進(jìn)行譜學(xué)研究，并能以高分辨率成像的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。 第三節(jié) 納米結(jié)構(gòu)的檢測(cè)技術(shù) 納米結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用研究 掃描探測(cè)顯微鏡不僅是人們認(rèn)識(shí)納米世界的工具，還可以用來制造納米結(jié)構(gòu)，改造世界。例如，借助它能夠通過一個(gè)超級(jí)
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