電子顯微技術(shù)在納米金屬材料研究中的應(yīng)用

馮 柳

（山東理工大學(xué)分析測試中心，山東 淄博 255000）

對納米材料的研究最早始于20世紀(jì)80年代，人們逐漸在研究中發(fā)現(xiàn)納米材料的獨特優(yōu)勢，如宏觀量子隧道效應(yīng)、表面效應(yīng)等。科學(xué)技術(shù)的進步和發(fā)展導(dǎo)致人們對金屬材料的開發(fā)與應(yīng)用提出更高層次的要求，科研人員不斷對金屬材料進行改善創(chuàng)新。利用納米技術(shù)可以提升金屬材料的力學(xué)性能及功能特性，金屬材料中微小的成分組織都能通過納米技術(shù)進行調(diào)控。運用電子顯微技術(shù)對納米金屬材料進行分析研究，對新材料的發(fā)展有巨大的推動作用，所獲取的研究成果對社會經(jīng)濟進步產(chǎn)生有利影響。

1 電子顯微技術(shù)

1.1 電子顯微技術(shù)概念

電子顯微技術(shù)是以電子顯微鏡為研究手段來分析材料的一種技術(shù)。電子顯微鏡擁有高于光學(xué)顯微鏡的分辨率，可以放大幾十倍到幾十萬倍的范圍，在實驗研究中具有不可替代的意義，推動了眾多領(lǐng)域研究的進程。電子顯微技術(shù)的光源為電子束，通過磁場聚焦成像或者靜電場的分析技術(shù)才達成高分辨率的效果、利用電子顯微鏡可以得到聚焦清晰的圖像，有利于研究人員對于實驗結(jié)果進行觀察分析。實驗需要進行觀察、測量、記錄、分析等多項步驟，電子顯微技術(shù)的作用可以貫穿整個實驗過程，所以電子顯微鏡的重要性不言而喻。

1.2 我國電子顯微技術(shù)在材料研究的發(fā)展歷程

我國過去主要應(yīng)用電子顯微技術(shù)進行材料的檢驗和研制等工作，有效促進了科研的發(fā)展，并且培養(yǎng)了一批專業(yè)技術(shù)人才。隨著電子顯微鏡技術(shù)在材料應(yīng)用的水平不斷提高，我國各項研究工作也順利展開，極大程度上推動了整個社會的發(fā)展進程，也提高了人民的生活質(zhì)量。我國的部分院校和研究院所等組織部門進行合作研究，積極開發(fā)電子顯微技術(shù)的研究應(yīng)用領(lǐng)域，至目前為止也取得了較為滿意的成果。研究院所時常和工廠合作互助，利用電子顯微技術(shù)解決生產(chǎn)技術(shù)難題，提升產(chǎn)品的工藝水平與質(zhì)量；研究院所獲得相應(yīng)的經(jīng)濟支持用以推動電子顯微技術(shù)的持續(xù)發(fā)展。雖然到現(xiàn)在電子顯微技術(shù)已經(jīng)擁有了較為顯著的成果，但電子顯微技術(shù)仍有很大的研發(fā)空間，需要專業(yè)人員不斷進行探索實踐，挖掘出電子顯微技術(shù)在材料尤其是納米尺度材料研發(fā)方面的發(fā)展?jié)摿?。在國家投入大量科研?jīng)費的支持下，經(jīng)過專業(yè)科研人員多年的不懈努力，電子顯微鏡應(yīng)用技術(shù)的研究已取得了一個良好的開端，并取得很大的進步。新時期信息技術(shù)的發(fā)展推動了電子顯微技術(shù)的進步，電子顯微技術(shù)也推動了其他科研項目實驗研究的進展。

2 納米金屬材料特性

2.1 納米金屬結(jié)構(gòu)材料特性

納米金屬結(jié)構(gòu)材料由尺寸范圍幾納米至一百納米之內(nèi)的金屬顆粒與顆粒間的分界面組成，可以根據(jù)以下三種結(jié)構(gòu)模型理解納米結(jié)構(gòu)材料的一些現(xiàn)象[2]。

（1）界面可變模型。納米金屬結(jié)構(gòu)材料因顆粒（晶粒）為納米級，所以擁有很多界面，界面之間所存在的能量會產(chǎn)生很大的不同。因為能量受到界面原子間距、排列、配位數(shù)等多方面的影響，會因它們的變化而產(chǎn)生變化。對于納米結(jié)構(gòu)材料而言，晶格常數(shù)的改變會帶來表面平移周期的改變，甚至?xí)Ρ砻嫫揭浦芷诋a(chǎn)生破壞。此類的復(fù)雜表面狀態(tài)與相互作用使得納米金屬材料擁有獨特的磁性、電性與光學(xué)性能。

（2）界面缺陷模型。納米粒子的體積非常小，當(dāng)界面組分改變時，晶界處原子排列有序度也會隨之變化，造成界面中含有較多的缺陷。結(jié)構(gòu)缺陷會對材料的超塑性、強度等方面造成很大的影響。

（3）類氣態(tài)模型。原子在納米金屬結(jié)構(gòu)材料界面上進行排列時是無序的，并未根據(jù)一定的規(guī)律排序，如氣態(tài)一般進行無序分布。但專業(yè)研究人員對納米材料微觀結(jié)構(gòu)的研究逐漸深入之后發(fā)現(xiàn)，納米結(jié)構(gòu)材料并不是完全處于無序狀態(tài)，屬于無序與有序結(jié)合的結(jié)構(gòu)。

2.2 納米金屬顆粒特性

（1）體積效應(yīng)。因金屬顆粒處于納米級別，所包含的原子很少，相應(yīng)的體積也小，所以其物理性能與整體材料的性能不同，此現(xiàn)象稱為體積效應(yīng)。比如納米金屬顆粒的導(dǎo)電性小于相同成分塊狀金屬的導(dǎo)電性，這是因為納米金屬顆粒整體振動和內(nèi)部晶格振動致使粒子間的電子自由程比完整大塊導(dǎo)體的偏低。體積效應(yīng)還會引起大部分金屬納米粒子的熔點降低，但少部分納米金屬顆粒如鉛、鋁等顆粒的超導(dǎo)變化升高溫度等。

（2）幻數(shù)結(jié)構(gòu)。原子簇指粒徑小于2納米的納米粒子，當(dāng)這些粒徑小于2納米的納米粒子中含有一些原子數(shù)目之時，這些納米粒子的狀態(tài)會變得極其穩(wěn)定。能夠讓納米粒子狀態(tài)變穩(wěn)定的原子數(shù)目被叫做幻數(shù)，此結(jié)構(gòu)稱為幻數(shù)結(jié)構(gòu)。

（3）表面效應(yīng)。當(dāng)納米粒子的尺寸變小時，納米粒子的表面積會隨之增大，納米粒子表面原子的活性也會上升，這一系列變化會導(dǎo)致金屬納米粒子在空氣之中容易產(chǎn)生聚集或相互吸引抱團的現(xiàn)象，甚至可能產(chǎn)生自燃。因為納米金屬顆粒具有明顯的表面效應(yīng)，納米金屬粒子存在顯著的晶格收縮效應(yīng)，晶格常數(shù)的降低會導(dǎo)致納米粒子表層原子的輸送與構(gòu)型的不同。

（4）宏觀量子隧道效應(yīng)。隧道效應(yīng)在納米材料研究中指微觀粒子貫穿勢壘的能力。納米金屬粒子的特性中也包括隧道效應(yīng)，通常也被稱作宏觀量子隧道效應(yīng)。

（5）量子尺寸效應(yīng)。德布洛意波長是納米材料實驗研究中常用作比對的一個參數(shù)，當(dāng)納米金屬粒子的尺寸與之相當(dāng)?shù)臅r候，納米粒子的電子會在一定程度上受到限制，導(dǎo)致電子能帶結(jié)構(gòu)與塊狀金屬間產(chǎn)生很大的變化，也就是出現(xiàn)量子尺寸效應(yīng)。

3 電子顯微技術(shù)在納米金屬材料研究中應(yīng)用

3.1 掃描隧道顯微鏡技術(shù)

掃描隧道顯微鏡簡稱為STM，通過STM能夠?qū)崿F(xiàn)操作控制單個原子，在進行納米金屬材料的研究中起到了重大的作用。英文名稱為Scanning Tunneling Microscope，屬于顯微鏡中擁有較高分辨率的一種，有著獨特的優(yōu)勢，能夠借助隧道電流研究納米金屬粒子的表面形貌及表面電子結(jié)構(gòu)。STM可以觀察表面具有的原子丘、平臺、臺階、孔洞等結(jié)構(gòu)缺陷，與此同時，STM還能觀察研究納米金屬材料表面的原子和電子的結(jié)構(gòu)，也可以通過觀察材料的微觀三維圖像測量表面起伏的高度，此技術(shù)滿足了人們追求直接對原子進行觀察的欲望。STM在成像之時不會對樣品產(chǎn)生破壞性，進行實驗時減少對環(huán)境的限制。STM也具有很強的適用性，是技術(shù)人員進行納米金屬材料研究的重要工具。

3.2 掃描電子顯微技術(shù)

掃描電子顯微技術(shù)發(fā)明于1965年，縮寫為SEM，可以用于對納米材料進行微觀形貌分析、粒度分析等，應(yīng)用范圍較為廣泛。SEM的分辨率范圍能夠控制在1nm左右，可直接觀察出微米或者亞微米的外觀形狀。SEM也在不斷開展研究，目前主要有低壓SEM、環(huán)境SEM、分析型SEM、場發(fā)射SEM等。如果配備X射線能譜儀裝置，能夠同時對微區(qū)成分進行分析，并對顯微組織的形貌進行觀察，是一種適用范圍較廣的科學(xué)研究儀器。目前掃描電子顯微術(shù)的一大發(fā)展趨勢就是進行SEM與其他設(shè)備的聯(lián)用技術(shù)的研究。

3.3 原子力顯微鏡

原子力顯微鏡的英文名為Atomic Force Microscopy，縮寫AFM。雖然AFM有著和STM相似的工作原理，但AFM具有著自己獨特的優(yōu)勢。AFM對于樣品的要求也較低，所以AFM的應(yīng)用范圍也較為寬廣。在進行納米金屬材料研究中，AFM能夠分析納米金屬材料的表面形貌，AFM可以同其他設(shè)備如STM、TEM等相結(jié)合進行納米金屬粒子的研究。

3.4 透射電子顯微技術(shù)

透射電子顯微技術(shù)是對材料進行微觀結(jié)構(gòu)研究的主要儀器之一，能夠?qū){米粒子的分布狀態(tài)、微觀形貌及晶體結(jié)構(gòu)進行觀察研究。研究人員使用透射電鏡配合能譜儀（EDS）等技術(shù)可以同時對納米材料的晶體結(jié)構(gòu)和材料內(nèi)部元素的分布狀態(tài)實現(xiàn)高效率的表征。另外，透射電鏡還可以精確測量納米材料的粒度分布和尺寸，使用透射電子顯微鏡技術(shù)測試金屬材料內(nèi)部的納米粒子，有著較高的精確性。另外，原位分析技術(shù)在TEM系統(tǒng)中應(yīng)用已經(jīng)取得了突破性的進展，比如TEM中通入一定的氣氛、液相或升高一定溫度，可以實時、高分辨觀察研究材料的微觀形貌及結(jié)構(gòu)地變化。

3.5 其他電子顯微技術(shù)

除了以上簡述的四種方法，還有其它的電子顯微技術(shù)可以應(yīng)用于納米金屬材料的研究當(dāng)中，如場離子顯微鏡（FIM），可以在固體的表面研究中占據(jù)一定的地位，該電子顯微技術(shù)能夠擁有原子級的高分辨率，可以分析不同原子的分布狀態(tài)，并時常結(jié)合X射線衍射、光譜分析和熱分析等技術(shù)進行實驗研究。在目前的研究階段，進行納米金屬材料分析時主要使用AFM、SEM、TEM、STM這四種電子顯微技術(shù)。各種電子顯微技術(shù)都有著自己獨特的優(yōu)點和劣勢，根據(jù)研究內(nèi)容、實驗參數(shù)等不同影響因素選擇最合適的電子顯微技術(shù)是實驗研究順利開展的前提，對材料的研究能夠起到促進作用，可以快速獲取有益的實驗成果。所以，深入了解各類電子顯微技術(shù)的特點和適用范圍，有效選擇一種或多種顯微分析技術(shù)，有利于更好地開展對納米金屬材料的研究，比如團簇類材料僅有幾個原子的顆粒度，可以使用AFM和STM這兩類電子顯微技術(shù)結(jié)合分析、納米晶結(jié)構(gòu)材料可以選用SEM和TEM結(jié)合研究。

4 總結(jié)

納米材料的不斷研究既是科技水平迅猛發(fā)展的體現(xiàn)，也是時代發(fā)展的需要。新材料的發(fā)展最終會作用于人們的生活中，為人們的生活帶來了極大便利。納米金屬材料因其尺寸只有幾個到幾十個納米，所引起的特殊效應(yīng)和不同類型的缺陷需要較高分辨率的儀器來分析，所以對此類材料的探索研究在目前仍處于初期階段，為了更好地發(fā)展納米金屬材料，需要進一步結(jié)合電子顯微術(shù)，以對納米金屬材料進行更加深入的研究。我國一直堅持對金屬材料進行研究，隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，對于納米金屬材料的研究也一定會取得優(yōu)異的研究成果。利用電子顯微技術(shù)對納米金屬材料的顆?；蚓Я＿M行深入研究，揭示納米金屬材料的微觀信息與的宏觀效應(yīng)與特性的關(guān)系，有利于開發(fā)新的材料。