原位表征Cu纳米颗粒在原子尺度上的表面熔化行为

摘要

熔化是从固态（刚性和拓扑长程有序）到液态（流体和拓扑长程无序）的相变过程，它是自然界中的常见现象。作为材料加工和应用中最重要的相变之一，对固体熔化的研究可以追溯到上世纪初，但是熔化机制仍不清楚，这依然是凝聚态物理学中一个突出的问题。由于金属的表面熔化是固体熔化中很重要的一部分，故其熔化行为的详细表征有助于完善固体熔化机理。而在所有研究固体熔化行为的技术手段中，原位透射电子显微分析能实时采集到原子尺度上的演变过程，因此它为最直接、最有力的技术手段之一。 在所有金属中，铜（Cu）是人类最早使用的金属之一。随着近代纳米科技的兴起，纳米Cu材料在微电路、高精密仪器仪表、电催化、光催化以及高温催化领域得到了广泛的应用。本论文以金属Cu为研究对象，在原子尺度理解金属的表面熔化机制，能进一步拓展纳米金属材料的应用范围。 本文通过反复调控实验参数，成功合成了Cu纳米颗粒、具有二级孔结构的纳米多孔Cu、准二维片状纳米多孔Cu。其中，二级孔纳米多孔Cu由介孔和大孔构成，介孔能在化学反应中为的客体小分子提供形状和尺寸选择性，大孔有利于客体分子向催化剂的活性位点扩散。首次实现了准二维片状纳米多孔Cu的去合金化制备，也为开发具有优异性能的准二维纳米多孔金属材料提供了技术思路，同时证明了将三维双连续纳米多孔金属降维化的可行性。本文利用原位加热电子显微镜分别对Cu纳米颗粒和纳米多孔Cu在原子尺度下进行原位加热研究，详细的表征了他们的动态表面熔化过程。结果表明： （1）Cu（200）面具有逐多层表面熔化的现象：（200）面一端棱角处预熔形核→熔化核达到临界尺寸（约14层（200）面厚度）→向（200）面另一端崩塌式扩展熔化，这种表面熔化过程反复发生。 （2）Cu纳米颗粒的表面熔化厚度呈指数形式增长。 （3）由于负曲率的影响，纳米多孔Cu相对于同样尺寸的Cu纳米颗粒具有更高的表面熔化温度。

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