纳米科学与技术复习要点

纳米科学与技术任课教师：赵扬工业生态楼930室152-1052-9875(cell)Email:[e-mail]一、介绍-基础1、什么是纳米材料？答：纳米材料通常被定义为平均粒径100nm的材料，或者至少在某一维度上尺寸100nm。2、什么是纳米科技？答：通过控制纳米尺度（1-100nm）的物质，开发其在纳米尺度上的新性能和现象，来合成功能材料、设备和系统的技术。3、为什么要在纳米尺度上进行研究？答：因为纳米尺度的材料，其化学组成和宏观材料相同，但是很多基本性质都会发生变化，因此要在纳米尺度上进行研究。4、纳米材料根据维度可以分为哪几类？(important)答：三种，即0维材料、1维材料、2维材料。0维材料指x,y,z三个坐标轴上的尺寸均100nm，e.g.活性炭。1维材料指x,y两个坐标轴上的尺寸均100nm，z坐标轴无限制，e.g.金属纳米线。2维材料指x坐标轴上的尺寸100nm，y,z坐标轴无限制，e.g.单层石墨烯。5、纳米材料的四大效应（veryimportant）？答：小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应。①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。②表面效应颗粒比表面积：颗粒表面积与体积之比，S/V=6/D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。③量子尺寸效应，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（粒子尺寸越小，能级间距越大）。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的现象。④宏观量子隧道效应即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。6、纳米材料的其他新奇性质？①光学性质：所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小，颜色愈黑。②热学性质：固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的，超细微化后却发现其熔点将显著降低，当颗粒小于10纳米量级时尤为显著。③磁学性质：小尺寸的超微颗粒磁性与大块材料显著的不同，当颗粒尺寸减小到0.02微米以下时，其矫顽力可增加1千倍，若进一步减小其尺寸，大约小于0.006微米时，其矫顽力反而降低到零，呈现出超顺磁性。④力学性质陶瓷材料在通常情况下呈脆性，然而由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性。二、介绍-准备1、纳米材料的构建方法？（important）答：两种，一种是自上而下的方法(Top-Down)，另一种是自下而上的方法（Bottom-Up）。自上而下，通过微加工等技术手段，不断在尺寸上将功能材料器件微型化，比如粉碎法、激光加工、光影印、光刻；自下而上，以原子分子为基本单元进行设计和组装，构筑具有特定功能、性能的材料器件，比如化学气相沉积、物理气相沉积、模板法、溶胶凝胶法、自组装法、电沉积、化学还原法、水热法或溶剂热法等。2、化学气相沉积（气→固）可以分为哪几种？答：可分为热解化学气相沉积、氧化还原反应沉积、化合反应沉积、化学输运反应沉积四种。典型的例子是CVD生长石墨烯。A、发生热解化学气相沉积反应的有氢化物、有机烷氧基的元素化合物、金属的碳基化合物等。B、氧化还原反应沉积通常是由金属的氢化物或有机烷基化合物通入氧气发生，或者由卤化物通入氢气发生。C、化合反应沉积常利用氢化物或有机烷基化合物的不稳定性，经过热分解以后立即在气相中和其他原料气反应生成固态沉积物。D、利用物质本身在高温下会气化分解然后在沉积反应器稍冷的地方反应沉积生成薄膜、晶体或粉末等形式的产物。3、物理气相沉积有哪几种方法？答：真空蒸发镀膜、溅射镀膜和离子镀膜。第2部分1STM-AFM一、SPM扫描探针显微镜：检测探针与样品表面的相互作用1、分类：2、应用领域：物理学和化学、生物、材料学、医学、化学、微电子3、特点：1)高空间分辨率（原子、分子，纳米）2)局域、实空间成像（表面三维）3)获取信息多样化(电、磁、力、光等等）4)工作环境多样化（真空、大气、液体）5)使用方便、经济便宜6)可以进行纳米加工和操纵二、STM：扫描隧道显微镜，人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理化学性质。1、原理：隧道效应：物体越过势垒，有一阈值能量，量子力学则认为，即使粒子能量小于阈值能量，很多粒子冲向势垒，一部分粒子反弹，还会有一些粒子能过去，如同有一个隧道，故名隧道效应。探针与样品之间的缝隙就相当于一个势垒，电子的隧道效应使其可以穿过这个缝隙，形成电流，并且电流对探针与样品之间的距离十分敏感，因此通过电流强度就可以知道探针与样品之间的距离。2、怎样使得扫描隧道显微镜尖端只有一个原子？类型：乌丝、铂-铱合金丝制备方法：电化学腐蚀法、直接剪切法等实验前预处理：针尖表面易覆盖氧化层或吸附杂质，会造成隧道电流不稳定、产生噪音等。预处理方法：化学法清洗，去除表面的氧化层及杂质，保证针尖的导电性3、工作原理：利用压电陶瓷的压电效应，测量样品与针尖之间的的电流大小，反馈到反馈电压上，由于电流的大小与针尖与样品之间的距离有关，因此通过电压数据反应到样品表面的突起状况。4、工作模式：恒流模式和恒高模式恒流模式：针尖在样品表面以恒定电流扫描，针尖在垂直方向上不断调整高度和反馈所得电压。恒高模式：针尖在样品表面以不变的高度进行扫描，与此同时检测着隧道电流。5、STM面临的挑战主要用于导体材料、存在振动干扰、针尖容易受到污染（化学或者物理的污染）三、AFM：原子力显微镜1.原理：利用微悬臂感受和放大悬臂上尖细探针与受测样品原子之间的作用力，从而达到检测的目的，具有原子级的分辨率。由于原子力显微镜既可以观察导体，也可以观察非导体，从而弥补了扫描隧道显微镜的不足。2.工作原理：针尖附着在悬臂上面，通过悬臂上下移动反应出与样品表面的引力与斥力，而悬壁的移动由激光和光电检测器检测。3.与STM比较：由于STM是一个原子与表面的相互作用，而AFM是许多原子之间的相互作用，没有定阈的作用力，所以STM的分辨率要大于AFM。4.长程力与短程力：长程力：范德华力（AFM成像力）、电子强作用力、磁力短程力：化学作用力5、AFM操作模式1)接触模式：利用原子斥力，又分为恒高模式、恒力模式、侧向力模式和扩展电阻成像模式，具有稳定的高分辨率的图像2)非接触模式：利用原子吸引力，敲击模式（作用在样品上的力是恒定的），优越性：尽管没有接触模式的分辨率高，但是敲击模式在一定程度上减小样品对针尖的粘滞现象，因为针尖与样品表面接触时，利用其振幅来克服针尖-样品间的粘附力。并且由于敲击模式作用力是垂直的，表面材料受横向摩擦力和剪切力的影响都比较小，减小扫描过程中针尖对样品的损坏。所以对于较软以及粘附性较大的样品，尽量选用敲击模式。轻敲模式：作为轻敲模式的一项重要的扩展技术，相移模式（相位移模式）是通过检测驱动微悬臂探针振动的信号源的相位角与微悬臂探针实际振动的相位角之差（即两者的相移）的变化来成像。一种重要的原子力显微镜检测技术。四、SFM的分辨率1、分辨率取决于扫描时的参数：扫描速度、扫描范围和反馈控制2、针尖的尖锐程度决定了图像的分辨率3、垂直分辨率取决于整个系统的噪音水平，而系统的噪音水平又与其设计密切相关4、两种针尖效应对分辨率有影响：由于针尖导致样品形变（特别是接触模式），使高度数据偏小；针尖展宽效应。五、多通道技术磁力显微镜（MFM）和静电力显微镜（EFM）1、MFM和EFM分辨率：1)MFM和EFM是长程力，水平分辨率随着抬高距离的增加而降低2)其分辨率通常受限制于抬高高度3)昀低的抬高高度应小于表面的粗糙度4)MFM的极限分辨率为20nm5)MFM通常所能达到的分辨率为50nm扫描开尔文探针显微镜和扫描电容显微镜1、开尔文模式的矢量电荷光刻2、力谱模式：接触式力曲线、轻敲式力曲线3、纳米光刻：STM刻蚀、AFM电压刻蚀、AFM刮刻（接触）和AFM挖刻（轻敲）4、扫描探针光刻：在深纳米尺度范围内图像化的一种技术5、实用技术：原子操控、原子键断裂和纳米化学6、蘸水笔纳米光刻DPN（墨水与衬底有亲和作用）：直接写、模板操作7、影响DPN图形分辨率的因素：分辨率小于15nm的点阵图可以实现1)表面晶粒尺寸：尺寸越大吸附越好；2)表面化学吸附性能；3)探针驻留时间；4)环境湿度影响等六、针尖对图像的影响1、悬臂与针尖：微悬臂尺寸：长100-500nm，厚500nm-5um，材质：硅片或氮化硅片2、针尖形状对图像的影响：针尖半径10-几十纳米之间，Si针尖与Si3N4针尖，注意ppt上角度的差异3、针尖展宽效应R≫rR≈rR≪r七、扫描器对图像的影响1、单管式扫描器（钛酸锆酸铅）：施加电压，相应电极部分就会伸展或收缩2、扫描器的非线性影响3、扫描器的蠕变性对图像的影响4、扫描器的迟滞性对图像的影响5、扫描器的耦合性对图像的影响6、综合影响八、SFM中常见的假象1、拖尾现象：解决：减少轻敲值，增大FBgain值2、扫描过程中受到污染3、双针尖或多针尖效应，判断：双针尖或者多针尖效应的图片真实旋转的图片第2部分2SEM-TEM一、纳米检测1、对于一种样品，需要检测信息以及所需的分辨率？1)形态学（微观/纳米结构）2)晶体结构（具体的原子排布）3)化学性质（元素和分子群）4)电子结构（键的性质）除此之外：机械性质、热力学性质以及电子特性2、纳米科学的工具：扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、扫描隧道显微镜（STM）、原子力显微镜（AFM）、X-射线能谱仪（EDS）、X-射线光电子能谱仪（XPS）二、扫描电子显微镜（SEM）：是一种通过高能电子束扫描样品表面成形图像，通过电子与原子之间的相互作用使得样品产生信号，包括得到样品表面形貌、组成以及其他电导等性质。1、与光学显微镜的比较：2、工作流程1)电子枪产生电子束；2)电子束被聚束透镜聚集，通过物镜对焦到样品上一个非常小点；3)扫描线圈创造一个磁场使电子束返回和跨越样品的表面4)从样品表面的电子束被检测器检测，然后被放大形成图像到阴极射线管的主屏幕上。3、电子检测：电子被二次检测器和背散射检测器检测，转换为电压，放大到阴极射线管。1)使用二次电子检测器产生清晰聚焦的样品表面图像（分辨率：5-10nm）2)当确定样品的结构时，背散射电子检测器产生的图像很有用，从白色到黑色，样品中的每种化学元素展现不同的阴影。4、优点和限制：1)优点：准备方法简单、二次电子成像；2)限制：分辨率：1-10nm、仅仅只是表面形貌三、X-射线能谱（EDS）1、X-射线光谱：确定化学元素当前形式，利用物质特征的X-射线指纹。2、X-射线线性扫描：3、提高分辨率的方法：1)通过使用不同种类的细丝来减小光斑尺寸；2)使用昀合适的加速电压；更高的电压产生短波长电子，具有更高的分辨率，但是也会增加电子体积/样本相互作用，导致较低分辨率；3)改变倾斜角度；4)使用高电流电子束；5)缩短工作距离；6)使用二次电子图像，作为昀合适的分辨率是：SE是5nm，BSE是25nm，X-射线图谱是2um；7)较长的曝光时间，使得更多的电子束可以被检测。四、透射电子显微镜（TEM）：电子束透过超薄的样本，利用电子束透过样本的相互作用而成像1、样品要求：厚度：小于500nm，高质量图片：小于20nm2、基本结构：3、TEM怎样得到图像和衍射？当电子波(具有一定能量的电子)落到晶体上时，被晶体中原子散射，由于晶体中原子排列的周期性，各原子所散射的电子波在叠加时互相干涉,形成规则的衍射斑点。4、为什