原位液相透射电子显微镜及其在 纳米粒子表征方面的应用

近年来,基于透射电子显微技术、微纳加工技术和薄膜制造技术的发展,原位液相透射电子显微技术产生,为构建多种纳米级分辨率尺度下的微实验平台,发展新型纳米表征技术和众多领域的相关研究提供了途径.本文首先介绍了应用于原位液相透射电子显微技术的液体腔设计要求,然后介绍了液体腔的发展和典型的制备工艺,最后综述了近年来液体腔透射电子显微镜在纳米粒子成核和生长方面的应用研究,并探讨了该技术前沿发展面临的机遇和挑战.本文将为提高我国先进纳米表征技术和原子精准构筑技术提供相关讨论和支持.     

纳米氧化锡负极材料锂化反应机理的原位透射电镜研究

二氧化锡(SnO_2)材料因具有储量丰富、理论容量高、嵌脱锂电位安全等一系列优点,在锂离子电池负极材料研究中受到广泛关注.然而, SnO_2纳米材料在锂化反应过程中的机理,尤其是第一步转化反应是否可逆尚存在争议.本文利用常规水热法成功制备了平均粒径为4.4 nm的SnO_2纳米颗粒,并在透射电子显微镜中构建了微型锂离子电池原型器件,对SnO_2纳米颗粒在充放电过程中的微观形貌和物相演变进行原位表征.实验结果表明, SnO_2纳米颗粒在嵌锂过程中率先生成了纳米尺寸的中间相Sn,随后发生了合金化反应转变为Li_(22)Sn_5相.脱锂反应后, Li_(22)Sn_5相转变为SnO_2.分析认为,纳米晶界阻碍了Sn颗粒的聚集长大,使得Sn和Li_2O能够充分接触,进而使脱锂反应能够完全进行,生成SnO_2.研究结果对于如何提高SnO_2基电极材料可逆比容量和循环性能具有一定的指导意义.     

碳纳米管的离子束焊接研究

用C+离子束轰击多壁碳纳米管后, 发现了大量的由无定形碳纳米线组成的连接结构. 这种用高分辨透射电子显微镜和电子衍射分析确认的离子束焊接方法, 不但可以作为准备纳米电子（光子）学器件和线路的手段, 结合微操纵技术, 也有可能对其它系统器件排布的制作有所贡献.     

金掺杂锯齿型石墨烯纳米带的电磁学特性研究

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算了金原子填充锯齿型石墨烯纳米带 (ZGNRs)中双空位结构的电磁学特性. 计算结果表明: 边缘位置是金原子的最稳定掺杂位置, 杂质原子的引入导致掺杂边缘的磁性被抑制, 不过掺杂率足够大时, 掺杂边缘的磁性反而恢复了. 金掺杂纳米带的能带结构对掺杂率敏感: 随着掺杂率的增大, 掺杂纳米带分别表现半导体特性、半金属特性以及金属特性. 本文的计算表明金原子掺杂可以调制ZGNR的磁性以及能带特性, 为后续实验起指导作用, 有利于推动石墨烯材料在自旋电子学方面的应用.     

三氧化钨/氧化银复合材料的水热法合成及其光催化降解性能研究

染料污染是水污染中最严重的问题之一,吸引了很多科学家的关注.人们尝试了很多方法去解决该问题,如化学氧化法、物理吸附法、光催化降解法和生物降解法等.与其他几种方法相比,光催化法有着低能耗、环保以及高效等优势.三氧化钨是常见的半导体材料,具有独特的光学性能,近年来受到了广泛的研究.本文以钨酸钠和硫脲为前驱体,通过水热法制备了三氧化钨/氧化银(WO_3/Ag_2O)复合材料,并用光催化降解亚甲基蓝来分析其光催化性能.通过X射线光电子能谱、X射线衍射、透射电子显微镜、扫描电子显微镜、紫外可见吸收光谱等表征手段对样品的形貌、晶格结构和光催化的性能进行表征.氧化银的带宽为1.2 e V,对可见光很敏感,三氧化钨和氧化银的复合使材料在可见光下的光催化活性显著增强,在可见光下对亚甲基蓝染料的光降解率可以达到98%.实验结果表明,复合材料中的三氧化钨纳米棒为六方相,其平均直径约为200 nm,平均长度约为4μm.而复合材料中的氧化银纳米颗粒为六方相,附着在氧化钨纳米棒的表面,平均晶粒尺寸为20 nm.氧化银的存在为复合材料提供了更多的反应活性位点.相较于单一组分,复合材料在可见光下的光吸收度更高,这说明三氧化钨和氧化银的复合改变了材料的能带结构.研究发现,三氧化钨和氧化银之间形成的异质结构是其优良光催化性能的来源.此外,三氧化钨和氧化银复合材料还具有良好的催化稳定性和化学稳定性.本文结果表明,可以通过给宽带隙的半导体材料复合一些带隙合适的金属氧化物以提升其光催化活性.     

单空位缺陷诱导的扶手椅型石墨烯纳米带电学性能的转变

本文基于密度泛函理论的第一性原理计算了单空位缺陷对 扶手椅型石墨烯纳米带电学特性的影响. 计算结果表明: 当单空位位于纳米带边缘位置时, 系统结构最稳定. 不同位置上单空位缺陷的引入都会使得原本为半导体的本征 扶手椅型石墨烯纳米带变成金属性; 随着单空位浓度的减小, 其对纳米带能带结构的影响逐渐减弱; 随着纳米带宽度的增大, 表征其金属性的特征值表现出震荡性的减弱. 单空位缺陷诱导的扶手椅型纳米带的半导体特性到金属特性的转变为石墨烯在 电子器件中的应用提供了理论指导. 关键词： 扶手椅型石墨烯纳米带 单空位缺陷 电学性能     

等离子体诱导碳纳米管到纳米金刚石的相变

采用氢等离子体，实现了碳纳米管向金刚石的结构相变，并实现了金刚石的高密度成核，有效成核密度可达10\+\{11\}／cm\+2以上，处于目前金刚石成核密度的最高行列，为制备优质的金刚石薄膜提供了保证.高分辨透射电镜、x射线衍射和拉曼光谱都证实了金刚石的形成.同时，对纳米金刚石晶粒的生成机理进行了初步探讨. 关键词： 等离子体 碳纳米管 纳米金刚石 结构相变     

原位动态电子显微学研究进展

随着电镜内原位技术的不断成熟和发展,透射电子显微镜不再仅仅是材料结构表征的工具,还是实现高精度纳米加工、性能测试等的重要手段。这不但丰富了纳米尺度下开展实验研究的方法,也拓宽了透射电子显微镜的应用范围,为纳米科学与技术的迅速发展提供了新的契机。本文侧重作者所在研究小组的研究工作,以"将纳米实验室建在透射电子显微镜里"的构想为主线,从材料的原位生长、结构加工、性能表征和器件构建等四个方面综述了近年来基于透射电子显微镜的代表性原位实验研究进展。     

Cu/Al引线键合界面金属间化合物生长过程的原位实验研究

铜引线键合由于在价格、电导率和热导率等方面的优势有望取代传统的金引线键合, 然而Cu/Al引线键合界面的金属间化合物(intermetallic compounds, IMC)的过量生长将增大接触电阻和降低键合强度, 从而影响器件的性能和可靠性. 针对以上问题, 本文基于原位高分辨透射电子显微镜技术, 研究了在50–220 ℃退火温度下, Cu/Al引线键合界面IMC的生长问题, 实时观测到了Cu/Al IMC的动态生长及结构演变过程. 实验结果表明, 退火前颗粒状的Cu/Al IMC 分布在键合界面, 主要成分为Cu₉Al₄, 少量成分为CuAl₂. 退火后Cu/Al IMC的成分是: 靠近Cu一端为Cu₉Al₄, 远离Cu的一端为CuAl₂. 同时基于原位观测Cu/Al IMC的动态生长过程, 计算得到了Cu/Al IMC 不同温度下的反应速率和激活能, 给出了基于原位实验结果的Cu/Al IMC的生长公式, 为优化Cu/Al引线键合工艺和提高Cu/Al引线键合的可靠性提供了指导.     

高光谱成像用于定量判断茶树叶片受冻程度

低温冻害是茶园中最常见的自然灾害之一。茶树叶片低温胁迫的定量监测对于评估茶园冻害程度和及时采取措施具有重要意义。茶树低温胁迫的传统检测方法,主要是通过人工观察和理化指标的测定,存在精度低、效率低和主观性强等问题,严重影响了灾害后期的茶树管理。该研究提出了一种基于高光谱成像的茶树冻害程度定量判断方法。首先,利用高光谱成像设备采集自然环境中茶树叶片在无冻害发生、冻害初期和冻害后期三个阶段的光谱数据,提取叶片的平均反射率;测定相应叶片中的相对电导率(REC)、叶绿素(SPAD)和丙二醛(MDA)等生理生化指标。其次,利用多元散射校正(MSC)、一阶导数(1-D)和平滑滤波(S-G)算法对采集的原始高光谱数据进行预处理,并利用无信息变量消除(UVE)和竞争性自适应重加权(SPA)算法筛选预处理后高光谱数据的特征波段。最后,利用卷积神经网络(CNN)、支持向量机(SVM)和偏最小二乘法(PLS)建立REC、 SPAD和MDA含量的定量预测模型。结果表明：(1)经MSC+1-D+S-G算法预处理的光谱曲线比原始光谱曲线的波峰和波谷更加突出,提高了光谱的分辨率和灵敏度,有利于提高后期回归模型的精度;...