电子辐照诱导纳米颗粒结构演变的原位研究

发布时间：2020-03-31 06:30

【摘要】：纳米颗粒是纳米科学技术研究中一个非常重要的部分,是设计和构建纳米材料最基本的结构单元之一,由纳米颗粒构建的高性能新功能材料在物理、化学、生物、能源、环境、医药等各个领域具有极大的未来发展前景。与宏观块体材料不同,纳米颗粒不仅仅是尺寸的减小,而是由于尺度减小带来了性质与行为上的诸多改变,这些改变能够实现材料性能的提高、拓展新功能,但同时也让制备和使用中存在更多不确定性。因此,对纳米颗粒结构、性质以及演变规律的掌握,有助于改进纳米材料的制备方法、提高其性能以及拓展新功能,这对纳米材料未来的发展有着至关重要的意义。本论文以纳米颗粒作为研究对象,利用透射电子显微镜原位探讨了纳米颗粒在电子束辐照诱导下的演变行为和机制,并取得了一系列有意义的成果。本论文涉及的研究从三个不同的角度出发,探讨了电子束辐照下的纳米颗粒尺寸稳定性、纳米颗粒结构演变和纳米颗粒自组装。主要内容包括:1.研究了电子束溅射引起的铜纳米颗粒减薄过程,提供了一种新的测量材料在纳米尺度下稳定性的实验方法,观察到了小尺寸效应在亚纳米尺度引起演变行为的改变。由于石墨烯晶格在加热下能够在电子束辐照中实现自修复,因此适度加热的石墨烯非常适合作为一种超薄衬底开展需要长时间电子辐照的原位透射电镜实验。在实验中观察记录了纳米颗粒逐渐被溅射减小直至消失的完整过程,这个过程被一个明显的转折点分成两段,后一段反映出纳米颗粒因为小尺寸效应引起的材料性质改变。电子溅射造成了各向异性的原子损失,我们提出了一个简化的溅射速度分布模型来定量描述纳米颗粒的三维形貌演变的动态过程,从而可以通过二维的电镜图像解释纳米颗粒三维演变动态。我们的模型很好的符合了实验结果,并在厚度方向上给出了铜的亚纳米级稳定极限尺寸。这个模型给出了材料稳定极限尺寸与透射电镜投影成像结果之间的关系,为今后极小尺度物体的透射电镜研究起到参考作用。2.研究了纳米颗粒在电子束辐照下向二维单原子层的转变。发现了四方和六元环结构的两种新型单原子厚度铜氧二维纳米材料,通过实验和理论计算对结构进行了确定,两种结构都有着和宏观块体不一样的电学特性,其中四方的铜氧二维原子结构可以通过改变铜和氧原子的比例来实现间接带隙与直接带隙的转换。通过分析电子束诱导下纳米颗粒向二维单原子层转变的过程,发现在六元环结构中,在电子束辐照下铜原子的锯齿型边缘能够稳定存在而非能量更低的氧边,证明了形成铜氧纳米结构是由结构稳定能量和抵御电子束破坏能力共同决定的。这种机制也解释了四方和六元环两种不同结构是因为辐照电子能量不同而获得的。这一研究发现了新型二维材料,并揭示了电子辐照诱导生长新型二维材料中的演变机制。3.使用透射电镜液体载样单元研究了在电子束辐照驱动下的氧化钴纳米颗粒环自组装过程。纳米颗粒沿附着于衬底上的纳米液滴边缘组装成为项链状的环形结构。环的尺寸和形状由液滴模板决定,可以在大的尺寸范围内改变,而纳米环的宽度由纳米颗粒的平均直径决定,为4nm左右。我们发现纳米液滴的非球形轮廓是纳米颗粒环形成的原因:首先,纳米颗粒在液滴边缘最低曲率的区域优先成核生长;其次,液滴表面对纳米颗粒的吸引力呈梯度分布,指向液滴边缘,液滴上的颗粒被移动并收集到边缘环上。这一研究提出了一种新颖的自底向上纳米结构制造方法,预期在今后可以拓展到更为广泛的材料体系中。
【图文】：

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第一章绪论第一章绪论1.1 引言1959 年，著名物理学家费曼(Feynman)在“底层空间很大”（“There's Plenty of Room at theBottom”）的演讲中，提出直接操控单个原子的构想，这被认为是纳米科学（Nanoscience）时代开始的标志。而十多年后，纳米技术（Nanotechnology）这一概念才第一次出现[1,2]。作为最基本的纳米结构单元之一，纳米颗粒（nanoparticles，NPs），这一术语出现于 1980 年代，通常认为是尺寸在 1-100nm 之间物体（图 1-1）[3, 4]。微尺度的“Micro”仅强调物体的“小”，，而纳米颗粒的“Nano”着重于反映小到特定尺度后物体具有的独特原子结构以及表现出的种种新现象与性质，这是纳米颗粒与宏观块体材料的本质区别[5]。

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纳米颗粒的电学性质会相对宏观发生变化，在应用于纳米电子器件时非常关键[15,16]。比如，直径4nm金颗粒的电导比宏观金小了107倍[17]；而小于3nm的铜颗粒表现出非金属性[18]；这是由于表面电导决定了纳米颗粒的电导[19]。应用上，纳米颗粒构成的单电子存储器或开关能极大提高集成密度[20]；应用在太阳能电池、锂电池、燃料电池和超电容时，表面具有的更高电子迁移速度能大大减小充放电时间[21]。量子效应带来一些特别的光学性质。纳米颗粒的颜色会随尺寸[15]、形状[22]、表面修饰[23]等发生改变，如图 1-2 中 CdSe 量子点的带隙宽度随尺寸改变，由此对应不同的吸收光波长和紫外线激发光波长[6]。合理混合多种尺寸纳米颗粒，同时吸收多种波长的光能提高太阳能电池转换效率[24, 25]。此外，颗粒尺寸与可见光相差越多，透光性越好[26]，而多层堆叠纳米颗粒可以构成 Bragg 堆叠，层间界面会折射特定波长的光，使透明的纳米颗粒获得颜色[27,28]；Bragg堆叠结构中，颗粒表面吸附带来的折射系数或界面厚度轻微改变，会引起颜色显著变化，这可用于气体或分子的检测[29]。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.1

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