沉积在离子液体([bmim][BF4])表面铁和金纳米结构凝聚体的生长机理及其微观结构研究

摘要

纳米颗粒是指直径从几纳米到几百纳米的原子集合体。由于其较大的表体比，纳米颗粒的物化性质通常依赖于其尺寸，且往往呈现出与块体材料极为不同的现象，使得纳米颗粒在超导、纳米器件、催化及发光器件制备等诸多领域中得到广泛的应用。因此，采用多种方法制备具有特征尺度及分布的纳米颗粒是近二十多年来的研究热点。 纳米颗粒一般生长在晶体或者无定形的固相表面，但由于液相基底独特的表面流动特性，在其表面生长纳米颗粒具有独特的机理和优越性。近年来，对生长在硅油表面金属纳米颗粒的研究（如制备方法、生长机理、磁特性及电特性等）取得较大进展，并在其生长机理以及微结构的演化等方面的研究受到了越来越多的关注。然而，对生长在离子液体表面金属纳米颗粒的动力学标度、微结构演化及晶化程度等方面的研究则少见报道。 本研究采用真空热蒸发方法，在离子液体([bmim][BF4])表面成功制备铁(Fe)以及金(Au)原子纳米颗粒凝聚体，并利用光学显微镜(Optical Microscopy，OM)、原子力显微镜(Atomic Force Microscopy，AFM)、扫描电子显微镜(ScanningElectron Microscopy, SEM)、X射线衍射(X-ray Diffraction，XRD)和透射电子显微镜(Transmission Electron Microscopy，TEM)等研究了其表面形貌、动力学标度、晶向生长、微观结构及其演化等。光学显微镜观测证实，生长在离子液体表面的铁以及金凝聚体可主要呈现分枝形和准圆形。AFM实验测量发现，铁以及金原子纳米凝聚体均由一系列纳米颗粒相互连接组成。通过统计此类纳米颗粒的直径φn及高度hn，我们发现φn及hn均近似满足高斯分布，且均为101 nm数量级。TEM测量进一步表明，AFM下观察到的纳米颗粒实际上是由尺寸更小的的晶粒所组成，且其直径在100 nm数量级。分析证实，生长在离子液体([bmim][BF4])表面的铁和金纳米凝聚体的生长机理符合二阶段生长模型的第一阶段。 AFM测量显示:随沉积名义厚度d的增加，hn呈线性增加，而φn基本保持不变;而随着沉积速率f的增加，hn和φn基本保持不变。上述结果表明，纳米颗粒在生长过程中，其内部结构可能变得更加致密。通过对此类纳米凝聚体粗糙指数的研究发现，铁原子纳米凝聚体的生长方式介于层状与岛状生长之间。进一步统计表明，当f由0.60 nm/s增加到2.00 nm/s时，铁原子晶粒由非晶向多晶结构转变。上述实验表明:晶粒之间存在较多空隙，因此纳米颗粒内部结构较为松散，即为上述纳米颗粒微结构的演化提供了一个有力的证据。 由于离子液体的粘滞系数依赖于温度，而粘滞系数与纳米凝聚体形貌相关，于是我们也研究了不同基底温度（Ts）下金纳米颗粒凝聚体的形貌特征。基于光学显微镜和原子力显微镜的观测，我们发现，随着基底温度的升高，金原子纳米凝聚体从圆环形向准圆形演化。同时，我们还研究了在大气以及室温环境下金原子纳米凝聚体形貌随时间的演化规律，发现金原子纳米凝聚体存在粗化机制，即金纳米凝聚体可捕获其周围的沉积原子。 全文内容编排如下: 第一章:首先简单介绍了纳米凝聚体的制备方法、生长机理、物理特性等，其次着重介绍液体基底表面纳米凝聚体的研究成果及其特点。 第二章:系统研究了生长在离子液体([bmim][BF4])表面的铁原子凝聚体的制备方法、形貌及其微观结构的演化规律。 第三章:介绍了生长在离子液体([bmim][BF4])表面的金原子纳米凝聚体对基底温度的依赖关系以及金原子纳米凝聚体在室温、大气环境下随时间的演化规律。 第四章:总括全文的研究结论，并对实验中尚待改进的方面和尚需探讨的问题做进一步的总结。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 固体基底表面纳米凝聚体的研究现状

1．1．1 纳米凝聚体的常用制备方法

1．1．2 生长机理

1．1．3 形貌以及微结构表征的主要方法

1．1．4 主要物理特性

1．2 液相基底表面的金属薄膜及纳米凝聚体的研究现状

1．2．1 硅油表面的金属薄膜及纳米凝聚体特性

1．2．2 离子液体([bmim][BF4])表面的金属薄膜及纳米凝聚体特性

1．3 本文研究内容及意义

2 离子液体([bmim][BF4])表面铁纳米凝聚体生长机理及其微结构演化

2．1 引言

2．2 实验方法

2．3 名义厚度对铁纳来凝聚体形貌及其微结构的影响

2．3．1 形貌测量及分析

2．3．2 铁纳米颗粒几何形貌随名义厚度的演化规律

2．3．3 名义厚度对铁纳米凝聚体生长的影响

2．3．4 不同名义厚度时铁纳米凝聚体表面动力学分析

2．4 沉积速率对铁纳米凝聚体形貌及其微结构的影响

2．4．1 形貌测量及分析

2．4．2 铁纳米颗粒几何形貌随沉积速率的演化规律

2．4．3 铁纳米凝聚体由二维向三维生长演化行为的研究

2．4．4 不同沉积速率下铁纳米凝聚体表面动力学分析

2．4．5 铁纳米凝聚体结晶性与沉积速率

2．5 本章小结

3 离子液体([bmim][BF4])表面金纳米凝聚体的生长机理及其微结构

3．1 引言

3．2 实验方法

3．3 基底温度对金纳米凝聚体形貌及其微结构的影响

3．3．1 光学及扫描电子显微镜测量及分析

3．3．2 原子力显微镜测量及分析

3．4 金纳米凝聚体粗化机制的观测

3．5 本章小结

4 实验结果的分析和探讨

4．1 本文研究结果的总结

4．2 实验中尚待改进的问题

参考文献

附录