论文部分内容阅读
纳米材料表现出的一些奇异性能主要源于其中大量的界面或表面。例如，纳米晶体材料中晶界体积分数甚高(可超过10％)，纳米颗粒，纳米线，纳米带或纳米管则具有很高的比表面。纳米材料的性能不但取决于界面的多少也依赖于界面的微观结构，而界面的微观结构与样品的制备工艺，后处理条件及所处的环境等密切相关。为了深入理解纳米材料的本征结构—性能关系，研究界面结构对纳米材料性能的影响是一项十分重要的课题。
本工作从两个不同的角度分别研究晶界和表面结构对纳米材料热学和电学性能的影响。第一部分，运用磁控溅射和后续热处理的方法得到具有近似相同晶粒尺寸而不同晶界结构的纳米晶体Cu。分别运用低温X射线(XRD)和电阻测量来研究晶界结构对纳米晶体Cu的热学和电学性能的影响。第二部分，运用气体在材料表面的吸附和脱附来改变SnO2纳米带和Au/SnO2纳米结构的表面状态，原位测定表面结构对纳米样品电学性能的影响。主要研究结果包括：
一.纳米晶体Cu的晶界结构对热学和电学性能的影响
1.把磁控溅射法制备的纳米晶体Cu在低于383K下退火，得到具有同一晶粒尺寸而不同微观应变的纳米晶体Cu样品。低温XRD测定的结果表明：当微观应变从0.14％增加到0.24％时，纳米晶体Cu的热膨胀系数从(14.96±0.24)×10-6K-1增加到(16.56±0.25)×10-6K-1。运用德拜模型对数据进行处理的结果表明：静态德拜因子(BS)从0.47±0.09A2增加到1.16±0.15A2，而德拜温度(ΘD)则从307.1±3.1K降到279.2±2.8K。热学性能随微观应变的变化归因于晶界附近缺陷密度的变化。可见纳米晶体Cu的晶界结构对热学性能有很大的影响。
2.当微观应变从0.14％增加到0.24％时，纳米晶体Cu的残余电阻从7.18×10-8Ω·m增加到1.15×10-7Ω·m。根据纳米晶体材料的两相模型，纳米晶体Cu的晶界结构对电学性能有很大的影响。根据纳米晶体Cu的晶界电阻率随微观应变的变化关系，外推得到完全弛豫态纳米晶体Cu的晶界电阻率为2.04×10-16Ω·m2，这一数值比文献中报道的晶界电阻率(3.1-5.1×10-16Ω·m2)的数值要小。
二.表面结构对SnO2纳米带和Au/SnO2纳米结构电学性能的影响
1.在673K下，当往空气中导入CO的浓度为500ppm时，SnO2纳米带的电导变化了40％。随着CO浓度的减小，电导的变化幅度也相应减小。在523-673K的温度区间内，SnO2纳米带对CO的探测极限为50ppm。
2.运用热蒸发法在SnO2纳米带表面成功地沉积上不连续的Au纳米颗粒。微观结构研究表明：在室温下，Au原子在SnO2纳米带表面的形核以梯田形核为主。于是，尺寸均匀的Au纳米颗粒能够沉积在宽度为30nm的SnO2纳米带的表面。
3.在673K下，当往空气中导入CO的浓度为250ppm时，Au/SnO2纳米结构的电导变化了90％。随着CO浓度的减小，电导的变化幅度也相应减小。在523-673K的温度区间内，Au/SnO2纳米结构对CO的探测极限为10ppm。分析表明：SnO2纳米带的表面结构对电学性能的影响归因于Au纳米颗粒促进了CO和吸附在SnO2纳米带表面的O-(ads)离子之间的化学反应。