金红石型晶体的非传统晶化行为

摘要

晶化在固体化学、生物以及材料科学中都有着根本重要性，是科学中研究最多的过程之一，同时也是具有极大实际价值。在经典的晶体生长理论建立一百多年来，传统成核和热力学/动力学生长模型取得了巨大成功，但现在仍有许多晶化行为是经典理论所无法解释的。并且，过去的晶化研究往往只是局限于表面形貌，未能真正将晶化过程中表面形貌与内部结构演变相结合来研究其生长机理。
　　近些年来，聚焦离子束微纳加工技术和球差校正电镜技术的发展为同时研究微米级颗粒内/外结构提供了可能。本文主要利FIB和TEM技术来研究非平衡条件下金红石晶体的晶化过程，特别是表面/内部结构演变以及该过程中发生的非传统晶体生长行为。FIB和TEM技术的交叉运用使我们能够观察和分析内部结构以及缺陷的变化，结合观察到的表面结构演变，我们对金红石晶体的非传统生长机理有更加深入的了解。具体如下：
　　(1)利用氢氟酸和盐酸的协同吸附效应通过简便的低温水热方法可控制备了一种具有新型曲面的金红石型氧化钛单晶，揭示了该新型曲面表面结构。结合理论计算和实验分析，我们发现封端剂以及实验环境对这种弧形表面的形成和转变有着重大意义。
　　(2)利用聚焦离子束技术以及透射电镜技术去研究曲面金红石TiO2晶体的内部结构，发现了该金红石晶体中存在一种新奇的竞争生长现象，即生长过程中同时存在两种生长模式在三维空间上相互竞争。我们研究了其在二维平面上的生长动力学过程以及三维空间上两种不同生长模式区域的分布，分析了这种竞争生长现象存在的原因，并且成功构造了晶体内部同样具有该竞争生长的曲面SnO2介晶。该工作首次展示了一种晶体生长过程中同时存在平衡和非平衡两种生长模式，并半定量地描述两种生长模式的动力学过程。
　　(3)引入了一种预接种的处理方法去研究一种新型的胶囊状的金红石TiO2介晶的生长初期的非传统晶化行为，发现其可能是由先形成的介孔纳米棒团簇定向自组装而成。生长初期出现的那纳米胶囊雏形以及晶体连接过程中初级颗粒轻微取向失配现象强有力地证明了定向聚集这一生长行为的存在。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 传统晶化过程

1．2．1 Kossel模型(台面-台阶-扭折模型)

1．2．2 热力学／动力学控制

1．2．3 非约束条件下单晶生长

1．3 非传统晶化过程

1．3．1 介观晶体

1．3．2 逆向晶体生长

1．4 金红石晶体概述

1．4．1 金红石TiO2结构

1．4．2 金红石TiO2平衡形状

1．4．3 金红石TiO2晶化机理研究进展

1．5 本论文研究内容

第二章 实验试剂与方法

2．1 实验试剂及实验仪器

2．2 材料的制备

2．2．1 曲面金红石型氧化钛晶体的制备

2．2．2 曲面氧化锡晶体的制备

2．3 材料的表征

2．3．1 X射线衍射

2．3．2 扫描电子显徽镜

2．3．3 透射电子显微镜

2．3．4 X射线光电子能谱分析

2．3．5 紫外-可见光漫反射光谱分析(UV-vis)

2．4 聚焦离子束徽纳加工仪制备TEM样品

第三章 具有新型曲面的金红石氧化钛晶体的可控制备

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 金红石型曲面晶体的制备

3．3 表面形貌及结构表征

3．4 XPS和DFT计算

3．5 本章小结

第四章 金红石晶体中存在的竞争生长现象

4．1 引言

4．2 实验方法

4．2．1 曲面金红石TiO2晶体的制备

4．2．2 曲面金红石SnO2晶体的制备

4．3 远偏离平衡生长vs平衡生长

4．3．1 X型生长区域边界

4．3．2 竞争生长动力学

4．4 三维空间中的竞争生长

4．4．1 曲面晶体其它部位截面形貌

4．4．2 两个竞争生长区域在三维空间上分布模型

4．5 竞争生长的开端以及机理解释

4．5．1 竞争生长的开端

4．5．2 竞争生长现象形成机理

4．6 曲面氧化锡晶体中的竞争生长现象

4．7 小结

第五章 金红石氧化钛介观晶体的生长初期观察

5．1 引言

5．2 实验方法

5．3 材料形貌与结构表征

5．4 本章小结

结论

参考文献

致谢

个人简历

攻读学位期间发表的学术论文与取得的其他研究成果