铜纳米颗粒能级偏移的尺寸效应研究

摘要

铜纳米颗粒及其颗粒薄膜，相比于铜块体材料，具有较大的表体比，即在表面具有大量低配位原子，而对于块体材料，这些低配位原子所占比例几乎可以忽略。这些低配位原子表现出与块体内原子不同的性质，从而使得铜纳米颗粒出现了诸多反常特性，因而展现出广泛的应用前景。由能带理论知道，不同的能带结构使得材料具有不同的性能，比如导电性。铜纳米颗粒及其颗粒薄膜由于尺寸的限制，它们的能带结构相对铜块体都有相应的修正，带隙和能级都会随着铜纳米颗粒尺寸的变化而变化，其中，各能级的偏移将会影响铜纳米颗粒的整体性能。因此，研究铜纳米颗粒能级偏移的尺寸效应就显得尤为重要。
　　本文首先对铜纳米颗粒、断键理论、XPS和AES进行简单介绍，然后基于断键理论和能带理论，利用实测XPS和AES能谱数据进行解谱、计算等理论分析，讨论了铜纳米薄膜的能级偏移以及能级偏移的尺寸效应，并得出以下结论：
　　(1)通过对0.7nm和2.5nm铜纳米颗粒薄膜的实测XPS谱的解谱，得出Cu2p3/2能级相对于块体材料时出现了正偏移，这种能级正偏移是由于铜纳米薄膜表面的配位数缺失引起了化学键的收缩和键能的增强，从而对电子在晶格中的哈密顿量进行了修正所致。另外，利用不同的配位数对应的能级关系，预测了局域应变、原子结合能等随原子配位数的变化。通过对铜的XPS进行解谱，我们得到了Cu2p3/2能级电子的单原子结合能和块体偏移量。
　　(2)针对在HOPG、CYL和Al2O3基底上生长的铜纳米颗粒，结合断键理论、XPS和AES研究了Cu2p3/2和3d5/2能级随尺寸的偏移情况，得到了尺寸和能级偏移量的具体表达关系，理论分析了导致这种偏移的具体原因以及不同基底对能级偏移的影响。
　　结果表明，能级产生正偏移的主要原因是尺寸引起了键弛豫，从而引起局域应变、量子势阱以及哈密顿量微扰的变化，从而导致了能级的正偏移。事实证明，结合断键理论、XPS和AES的综合分析方法在研究铜纳米颗粒能级偏移及其尺寸效应方面是很有效的。这不仅有利于解决现有理论在研究一些纳米材料方面所遇到的困难，而且可以更深层次地认识和掌握在纳米尺度出现的物理规律，为将来低维纳米结构与器件的设计优化以及性能研究提供可靠的理论指导。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 铜纳米颗粒的研究概况

1.3 断键理论概述

1.4 X射线光电子能谱(XPS)与俄歇电子能谱(AES)的研究现状

1.5 能级偏移的研究现状

1.6 研究方法和研究难点

1.7 研究意义和内容安排

第二章 理论基础

2.1 引言

2.2 能带理论

2.3 断键理论(BOLS)

2.4 XPS与AES

2.5 本章小结

第三章 铜纳米薄膜的能级偏移的解谱分析

3.1 引言

3.2 结合断键理论与XPS解谱

3.3铜纳米薄膜2p3/2各成份谱的能级偏移

3.4 本章小结

第四章 铜纳米颗粒能级偏移的尺寸效应

4.1 引言

4.2 铜纳米颗粒在基底上的生长

4.3 结合BOLS和XPS分析Cu 2p3/2能级偏移的尺寸效应

4.4 利用AES分析能级偏移的尺寸效应

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 工作展望

参考文献

致谢

硕士期间已公开发表的论文