不同晶相组成TiO_2纳米粒子的拉曼光谱表征及其光催化性能
第24卷 第2期2007年4月
黑龙江大学自然科学学报
J OURNAL OF NATURAL SC IENCE O F HE I LONG JI ANG UN IVERS I TY
V o l 24N o 2Apr i,l 2007
不同晶相组成TO i 2纳米粒子的拉曼光谱表征及其光催化性能
李姝丹, 井立强, 付宏刚
(黑龙江大学化学化工与材料学院,黑龙江哈尔滨150080)
摘 要:通过溶胶-水热法制备了不同晶相组成的T i O 2纳米粒子,并利用XRD,Ra m an 光谱等方法对样品进行了表征,同时考察了晶相组成对T i O 2光催化降解罗丹明B 活性的影响。结果表明,热处理温度为400 时,T i O 2纳米粒子为锐钛矿相。从400 到700 是锐钛矿向金红石的相转变过程。当热处理温度升至700 时,T i O 2纳米粒子完全为金红石相。在光催化实验中,580 热处理的T i O 2纳米粒子表现出较高的光催化活性,且随着热处理温度的进一步升高,光催化活性下降,这能够从晶相组成上给出解释。
关键词:T i O 2;溶胶-水热法;纳米粒子;拉曼光谱;光催化中图分类号:O641
文献标识码:A
文章编号:1001-7011(2007)02-0241-04
收稿日期:2006-10-16
基金项目:国家自然科学基金资助项目(20431030,20501007);黑龙江省自然科学基金资助项目(ZJ G0404,B0305);黑龙江省教育厅骨干
教师创新能力计划(1054G035);哈尔滨市科学基金资助项目(2005AFQX J 060)
作者简介:李姝丹(1978-),女,博士研究生,主要研究方向:环境催化与光电化学通讯作者:付宏刚(1962-),男,教授,博士生导师
0 前 言
人类进入20世纪后,随着环境问题的日益严峻,空气、水体污染不断加剧,环境污染治理成为人类社会面临和亟待解决的重大课题。自从1972年日本Fu ji s hi m a 发现T i O 2单晶电极光催化分解水以来
[1]
,光催化
技术得到了广泛的关注。光催化技术有可能解决人类未来的能源危机和环境污染问题。光催化技术在常温、常压下就可以进行,能够彻底破坏有机或无机污染物,并使之完全、快速氧化为CO 2、H 2O 等无害物质,避免了二次污染,从而达到净化环境的目的。目前,在众多的半导体光催化剂中,T i O 2因其无毒、活性高和稳定等特点而被认为是比较理想的光催化剂之一[2-4]
。研究表明,除了反应条件外,T i O 2晶相组成和结晶度等
能够强烈影响其光催化性能。因此,开展晶相组成对T i O 2光催化活性影响的研究对半导体光催化氧化技术
的实用化具有一定的指导意义。
本文主要利用拉曼光谱等方法对不同晶相组成的T i O 2纳米粒子进行了表征,并以光催化降解罗丹明B 为模型反应,重点探讨了T i O 2纳米粒子的晶相组成对其光催化活性的影响。
1 实验部分
实验中所用试剂均为分析纯,水为二次蒸馏水,均没有进一步处理。1 1 T i O 2纳米粒子的制备
利用溶胶-水热方法制备T i O 2纳米粒子。将一定量的钛酸四丁酯缓慢地滴入强烈搅拌的无水乙醇中,
然后将上述溶液按一定速度滴入硝酸混合液中,其中钛酸四丁酯、无水乙醇、硝酸、二次蒸馏水的体积比为5 25 1 5。滴完后继续搅拌1h ,得到T i O 2溶胶,将所制得的溶胶转移至水热钢弹中,160 下恒温6h ,自然冷却至室温,得到水热产物。将水热产物在60 下真空干燥,最后,在不同温度下焙烧2h ,即可得到一系列的T i O 2纳米粒子。1 2 样品的表征
利用日本理学电机公司的D /MAX -!B 型X -射线衍射仪测试样品的晶型结构;利用日本Sh i m adzu UV -2550紫外-可见分光光度仪测定罗丹明B 在 =553nm 处吸光度的变化;利用法国Job i n Yvon HR -800型激光拉曼光谱仪测定样品的拉曼光谱。1 3 T i O 2纳米粒子的光催化活性测试
以罗丹明B 的光催化降解实验来评估T i O 2纳米粒子的光催化活性,未检测降解的中间产物,方法见文献
[5]
。光催化降解液相罗丹明B (40mL)的实验在圆柱型石英光化学反应器(100mL)中进行。光源为300
W 直管形紫外线高压汞灯( =365nm ),反应器距光源20c m ,反应物罗丹明B 的起始浓度为50 m o l ?L -1
。0 1g 样品放入反应器中,平衡20m i n 后,开始光照计时。利用日本Shi m adzuUV -2550紫外-可见分光光度仪对不同反应时间的罗丹明B 吸光度进行测定,并在相同条件下进行空白对照实验。
2 结果与讨论
2 1 XRD 的测试
图1是经不同温度处理的一系列T i O 2纳米粒子样品的XRD 图,晶型组成和微粒尺寸见表1。结合图1和表1可以看出,未焙烧的粉体主要以非晶态为主,有少量晶形较差的锐钛矿相晶粒;焙烧温度为400 时,已经出现了锐钛矿相T i O 2的特征衍射峰,锐钛矿型T i O 2的最强衍射峰为25 4#,参见PDF 卡片21-1272;随着焙烧温度的升高,T i O 2粒子的衍射峰逐渐锐化,说明T i O 2晶体的晶粒逐渐长大,其结晶度也越来越高。当焙烧温度为580 时,开始出现金红石相的衍射主峰,金红石型的最强衍射峰为27 5#,参见PDF 卡片21-1276,此时,粉末是以锐钛矿相和金红石相两种晶型共存,金红石的含量为10%;随着热处理温度的进一步升高,锐钛矿相T i O 2的衍射主峰逐渐减弱,金红石相的衍射主峰逐渐增强且更加锐化,晶粒迅速长大,625 时,金红石含量已高
达50%;继续升高温度到700 时,锐钛矿相T i O 2的衍射主峰完全消失,此时,样品完全转变为金红石相。
表1 不同焙烧温度的纳米T i O 2的微晶尺寸
Tab le 1 C rystallite size and surface area of T i O 2nanopar ti c les calcined at d ifferen t te m perature
C atalyst Anatase
C on t en t(%)
C rystal s i ze(nm )
Ru tile
C on t en t(%)
C rystal s i ze(nm )
400 1006 61--580 9021 791035 39625 5022 755036 44650 1024 059038 88700
--100
39 22
表1反映了不同温度焙烧T i O 2纳米粒子的微晶尺寸。从表1可知,随着焙烧温度的升高,T i O 2纳米粒子的粒径不断增大。这种结构上的变化将对T i O 2纳米粒子的光电特性产生影响,进而影响T i O 2纳米粒子的光催化活性。2 2 R a m an 测试
图2是经不同温度焙烧的一系列T i O 2纳米粒子的Ra m an 图。所观察到的Ra m an 峰为:144c m -1
、196c m -1
、240c m -1
、396c m -1
、448c m -1
、515c m -1
、614c m -1
、640c m -1
和830c m -1
。144c m -1
、196c m -1、
?
242?黑 龙 江 大 学 自 然 科 学 学 报 第24卷
396c m -1
、515c m -1
和640c m -1
是锐钛矿相的振动峰;240c m -1
、448c m -1
、614c m -1
和830c m -1
是金红石相的振动峰
[6]
。由图可知,拉曼谱随着焙烧温度的增加发生明显变化,包括谱线的数目、位置和峰高的变化。
其中144c m -1
(Eg)锐钛矿特征振动模式的相对峰高随着焙烧温度的增加明显降低,表明T i O 2纳米粒子样
品中锐钛矿相的含量依次降低,这与XRD 的表征结果相一致的。经650 焙烧后,144c m -1
的峰高产生陡降,700 时此峰消失,而614c m
-1
(A 1g)金红石特征振动模式的相对峰高随着焙烧温度的升高明显增加。
这说明T i O 2纳米粒子中存在的锐钛矿已经完全转变为金红石结构。而从XRD 图中看到580 时已经有金红石相出现,这是因为580 时金红石相的含量相对于锐钛矿相较少,而且金红石结构晶格振动的拉曼散射
截面较小,导致其振动相对较弱,被锐钛矿相的晶格振动所掩盖,直到结晶中以金红石相为主时才能明显观测到。在XRD 衍射强度下与T,i O 等原子的散射因素有关,所以金红石晶体相对含量较低时也可以观看到晶面衍射峰。
2 3 光催化活性评价
以液相罗丹明B 的光催化降解实验来评估不同T i O 2纳米粒子的光催化活性。图3反映了在不同焙烧温度下制得的T i O 2纳米粒子样品的光催化活性。在无催化剂的条件下进行光照,光催化活性很弱,说明直接光解可以忽略不计。从图可见焙烧温度为580 时,T i O 2纳米粒子样品的光催化活性最好,这与表征结果是相符的。
从光催化原理可知,当光催化电子-空穴对有效分离并分别迁移至催化剂表面不同位置后,可与催化剂表面吸附的有机物质发生氧化-还原反应,其结果是有机物被空穴氧化而电子受体得以被还原,同时也存在电子与空穴的复合问题,光生电子与空穴如果没有被适当的捕获剂所捕获,就会在几个毫秒内复合。从动力学观点看,只有在相关的电子受体和电子供体预先吸附在催化剂表面时,界面电荷的传递和被俘获过程才会更有效。
通常认为,催化剂的光催化活性由该样品的氧化-还原电位、吸光特性、电荷分离和向底物转移的速率
?
243?第2期
李姝丹等:不同晶相组成T i O 2纳米粒子的拉曼光谱表征及其光催化性能
决定。在液相条件下,在水化的T i O 2的表面存在大量的羟基,因而它与T i O 2固体表面空穴的反应是快速和有效的。从理论上讲,来源于空穴与H 2O /OH -
反应生成的?OH 在光催化中占优势。低温(400 )热处理的T i O 2样品由于晶化程度比较低,T i O 2的粒子表面存在大量的缺陷,极易成为光生电子-空穴对的复合中心,光生电子-空穴对的复合几率高;而表面空穴浓度的减少,直接降低了光催化过程中羟基自由基的产生率,从而表现出较低的光催化活性。随着热处理温度的升高,晶粒生长不断完整,热处理温度为580 时,T i O 2样品转变为锐钛矿型和金红石型的混合物,比例为9 1。由于两种晶型的T i O 2的费米能级不同
[7]
,在
两相界面间能产生势垒,可促进电子和空穴的转移、分离并迁移到催化剂的表面,有利于羟基自由基的生成,进而与吸附在催化剂表面的有机物发生氧化反应使催化剂光催化降解效率得到提高。这与H orikosh i 等人的研究成果
[8]
(羟基自由基的增加有利于提高T i O 2光催化降解RhB 的效率)相一致。当热处理温度高于
580 时,一方面T i O 2样品的光吸收急剧下降;另一方面,其粒径迅速增大,电子-空穴对向表面迁移的路
程变长,其复合几率增大,从而降低了活性物种羟基自由基的生成速率,故其光催化活性随着热处理温度的进一步升高而下降。
3 结 论
通过研究证实,利用激光拉曼光谱方法能够较好地表征T i O 2纳米粒子的晶相组成。含有多量锐钛矿和少量金红石的混晶相T i O 2样品能够表现出较好的光催化性能。这与国际商品P25T i O 2样品通常能够表现出较好的光催化活性是相符的,因为它们具有相类似的晶相组成。
参考文献
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Ra man spectroscopy characterization and the photocatal ytic activity
of different phase content of T i O 2nanoparticles
LI Shu-dan, JI NG Li-qiang , FU H ong-gang
(Schoo l ofC he m i stry and M ateri als S ci ences ,H eilongjiang Un i vers i ty ,H arb i n 150080,C h i na)
Abst ract :T i O 2nanoparticles of d ifferent crystal phase w ere prepared by a sol-gelm ethod ,and also w ere charac
terized by XRD ,R a m an testi n g techn iques .The i n fluences of crysta l phase on the photocata l y tic perfor m ance for deg rading liqu i d phase Rhodanm i n e B has been furt h er i n vesti g ated .It i n d icated that T i O 2nanoparticles cou l d be for m ed when ca lci n ed at 400 .A s the ca lci n aton te m perature i n creases ,the cr ystalli n ity beco m es m ore perfec,t t h e crystal phase transfor m s r u til e fro m ana tase .T i O 2nanopartic les w ere r utile when ca lcined at 700 .M oreover ,i n t h e experi m ent of photocatalytic degradation li q u i d phase RhB ,T i O 2nanopartic les calc i n ed at 580 exh i b ited a higher photocata l y tic acti v ity and the photocatalytic activ ity declined as the cac li n ation te m perature i n creased ,w hich w as co i n cident w ith the results of t h e characterizati o n .K ey w ords :T i O 2;so l-hydrother m alm e t h od ;nanoparticles ;Ra m an;photocata l y sis
?
244?黑 龙 江 大 学 自 然 科 学 学 报 第24卷
拉曼光谱
拉曼光谱实验报告 一、实验目的 1. 了解拉曼光谱的基本原理、主要部件的功能； 2. 了解拉曼光谱对所观察与分析样品的要求； 3. 了解拉曼光谱所观察材料的微观组织结构和实际应用； 4. 初步掌握制样技术和观察记录方法 二、实验仪器原理 1928年C.V.拉曼实验发现，当光穿过透明介质被分子散射的光发生频率变化，这一现象称为拉曼散射，同年稍后在苏联和法国也被观察到。在透明介质的散射光谱中，频率与入射光频率υ0相同的成分称为瑞利散射；频率对称分布在υ0两侧的谱线或谱带υ0±υ1即为拉曼光谱，其中频率较小的成分υ0－υ1又称为斯托克斯线，频率较大的成分υ0+υ1又称为反斯托克斯线。靠近瑞利散射线两侧的谱线称为小拉曼光谱；远离瑞利线的两侧出现的谱线称为大拉曼光谱。瑞利散射线的强度只有入射光强度的10-3，拉曼光谱强度大约只有瑞利线的10-3。小拉曼光谱与分子的转动能级有关，大拉曼光谱与分子振动-转动能级有关。拉曼光谱的理论解释是，入射光子与分子发生非弹性散射，分子吸收频率为υ0的光子，发射υ0－υ1的光子（即吸收的能量大于释放的能量），同时分子从低能态跃迁到高能态（斯托克斯线）；分子吸收频率为υ0的光子，发射υ0+υ1的光子（即释放的能量大于吸收的能量），同时分子从高能态跃迁到低能态（反斯托克斯线)。分子能级的跃迁仅涉及转动能级，发射的是小拉曼光谱；涉及到振动-转动能级，发射的是大拉曼光谱。与分子红外光谱不同，极性分子和非极性分子都能产生拉曼光谱。激光器的问世，提供了优质高强度单色光，有力推动了拉曼散射的研究及其应用。拉曼光谱的应用范围遍及化学、物理学、生物学和医学等各个领域，对于纯定性分析、高度定量分析和测定分子结构都有很大价值。 拉曼效应起源于分子振动（和点阵振动）与转动，因此从拉曼光谱中可以得到分子振动能级(点阵振动能级)与转动能级结构的知识。用虚的上能级概念可以说明了拉曼效应： 设散射物分子原来处于基电子态，当受到入射光照射时，激发光与此分子的作用引起的极化可以看作为虚的吸收，表述为电子跃迁到虚态（Virtual state），虚能级上的电子立即跃迁到下能级而发光，即为散射光。设仍回到初始的电子态，则有如图所示的三种情况。因而散射光中既有与入射光频率相同的谱线，也有与入射光频率不同的谱线，前者称为瑞利线，后者称为拉曼线。在拉曼线中，又把频率小于入射光频率的谱线称为斯托克斯线，而把频率大于入射光频率的谱线称为反斯托克斯线。
拉曼光谱实验报告
拉曼光谱实验 姓名学号 何婷21530100 李玉环21530092 宋丹21530111 [实验目的] 1、了解Raman光谱的原理和特点； 2、掌握Raman光谱的定性和定量分析方法； 3、了解Raman光谱的谱带指认。 4、了解显微成像Raman光谱。 [仪器和装置] 1、显微Raman光谱系统一套，拉曼光谱仪的型号为SPL-RAMAN-785 USB2000+的拉曼光谱仪，自带785nm激光； 2、带二维步进电机平移台一台（有控制器一台）； 3、PT纳米线样品； 4、光谱仪软件SpectraSuite； 5、步进电机驱动软件； 6、摄像头（已与显微镜集成在一起）。 [实验内容] 1、使用显微Raman系统及海洋光谱软件对单根或多根纳米线进行显微Raman光谱测量， 对测量的图和标准图进行比较，并通过文献阅读对PT纳米线Raman（测量和标准）的谱峰进行指认。 2、使用显微拉曼扫描系统进行二维样品表面拉曼信号收集，并生成样品表面特定波长处的 拉曼信号强度三维图，模拟样品表面拉曼表征。选择多个拉曼波长对样品形状进行观察。[实验结果及分析]
观察PbTiO3的拉曼散射谱并比对具体的拉曼散射光谱数据进行分析，可以找到以上10个拉曼散射峰，分别位于784.54nm，794.94 nm，798.60 nm，802.90 nm，806.84 nm，811.91 nm，817.10 nm，825.29 nm，832.44 nm，879.69nm附近，对应的Raman Shift分别是-7.46 cm-1 159.28 cm-1 216.94 cm-1 284.00 cm-1 344.82 cm-1 422.21 cm-1 500.44 cm-1 621.90 cm-1 725.97 cm-1 1371.21 cm-1。 （通过Raman Shift=1/λ入射-1/λ散射计算得到） PT纳米线Raman测量的谱峰指认： 分析可知，-7.46 cm-1 159.28 cm-1 216.94 cm-1 284.00 cm-1 344.82 cm-1 422.21 cm-1 500.44 cm-1 621.90 cm-1 725.97 cm-1附近的9个振动模，分别对应于PbTiO3的A1（1TO），E（1LO），E（2TO），B1+E，A1（2TO），E（2LO）+A1（2LO），E（3TO）A1（3TO），A1（3LO）声子模。 位于159.28 cm-1附近的模对应PbTiO3纳米线表面的TiO6八面体相对于Pb的振动；位于500.44 cm-1附近的模分别对应于表面Ti-O或Pb-O键的振动；位于725.97 cm-1附近的模对应于TiO6八面体中Ti-O键的振动。而位于284.00 cm-1的振动模为静模。此外，在725.97 cm-1处PbTiO3还具有额外的Raman振动模，可能与该相中含有大量且复杂的晶胞结构有关。据报道，复杂钙钛矿结构中氧八面体的畸变或八面体内B位离子的移动在某种程度上会破坏平移对称性，引起相邻晶胞不再具有相似的局部电场和极化率。 位于-7.46 cm-1处的拉曼峰强度增强，相比标准PbTiO3纳米线，其余拉曼峰强度均减弱。798nm处样品表面拉曼信号三维强度图：
激光拉曼光谱实验报告
激光拉曼光谱实验报告 摘要：本实验研究了用半导体激光器泵浦的3Nd + ：4YVO 晶体并倍频后得到的532nm 激 光作为激发光源照射液体样品的4CCL 分子而得到的拉曼光谱，谱线很好地吻合了理论分析的4CCL 分子4种振动模式，且频率的实验值与标准值比误差低于2%。又利用偏振片及半波片获得与入射光偏振方向垂直及平行的出射光，确定了各振动的退偏度，分别为、、、，和标准值0和比较偏大。 关键词:拉曼散射、分子振动、退偏 一， 引言 1928年，印度物理学家拉曼（）和克利希南（）实验发现，当光穿过液体苯时被分子散射的光发生频率变化，这种现象称为拉曼散射。几乎与此同时，苏联物理学家兰斯别而格（）和曼杰尔斯达姆（）也在晶体石英样品中发现了类似现象。在散射光谱中，频率与入射光频率0υ相同的成分称为瑞利散射，频率对称分布在0υ两侧的谱线或谱带01υυ±即为拉曼光谱，其中频率较小的成分01υυ-又称为斯托克斯线，频率较大的成分01υυ+又称为反斯托克斯线。这种新的散射谱线与散射体中分子的震动和转动，或晶格的振动等有关。 拉曼效应是单色光与分子或晶体物质作用时产生的一种非弹性散射现象。拉曼谱线的数目，位移的大小，谱线的长度直接与试样分子振动或转动能级有关。因此，与红外吸收光谱类似，对拉曼光谱的研究，也可以得到有关分子振动或转动的信息。目前拉曼光谱分析技术已广泛应用于物质的鉴定，分子结构的研究谱线特征。 20世纪60年代激光的问世促进了拉曼光谱学的发展。由于激光极高的单色亮度，它很快被用到拉曼光谱中作为激发光源。而且基于新激光技术在拉曼光谱学中的使用，发展了共振拉曼、受激拉曼散射和番斯托克斯拉曼散射等新的实验技术和手段。 拉曼光谱分析技术是以拉曼效应为基础建立起来的分子结构表征技术,其信号来源于分子的振动和转动。它提供快速、简单、可重复、且更重要的是无损伤的定性定量分析，无需样品准备，样品可直接通过光纤探头或者通过玻璃、石英、和光纤测量。拉曼光谱的分析方向有定性分析、结构分析和定量分析。
纳米材料的制备与表征摘录(打印)
纳米材料的制备与表征方法摘录 作者姓名：彭家仁 单位：五邑大学广东江门 摘要:被誉为“21世纪最有前途的材料”的纳米材料同信息技术和生物技术一样已经成为21世纪社会经济发展的三大支柱之一和战略制高点。由于纳米材料的特殊结构以及所表现出来的特异效应和性能,使得纳米材料具有不同于常规材料的特殊用途。本文就纳米材料的结构特性和性能、应用及制备方法与表征进行了综述。旨在为纳米材料的应用及其制备提供理论指导。 关键词:纳米材料;结构特性;特异效应；应用;制备方法 Methods of Preparation and Characterization of nano-materials Kevin Peng (WUYI University Jiangmen Guangdong) Abstract:The nano-materials known as“the most promising material in the21st century”along with the information technology and the biotechnology has become one of the three pillars of the socio-economic development and the strategic high ground in the21st century.Because of the special structure of the nano-materials,as well as its specific effects and performance,thenano-materials have the special purposes other than the conventional materials. In this paper,we search for the structural properties,specific effect and the performance and the Synthesis and Characterization of nano-materials.The purpose is to provide theoretical guidance for the application and preparation of nano-materials. Keywords:nano-materials;structural properties;specific effect;applications;preparation methods 0前言 从人类认识世界的精度来看,人类的文明发展进程可以划分为模糊时代(工业革命之前)、毫米时代(工业革命到20世纪初)、微米和纳米时代(20世纪40年代开始至今)。自20世纪80年代初,德国科学家Gleiter提出“纳米晶体材料”的概念,随后采用人工制备首次获得纳米晶体,并对其各种物性进行系统的研究以来,纳米材料已引起世界各国科技界及产业界的广泛关注。纳米材料是指特征尺寸在纳米数量级(通常指1～100nm)的极细颗粒组成的固体材料。从广义上讲,纳米材料是指三维空间尺寸中至少有一维处于纳米量级的材料。通常分为零维材料(纳米微粒),一维材料(直径为纳米量级的纤维),二维材料(厚度为纳米量级的薄膜与多层膜),以及基于上述低维材料所构成的固体。从狭义上讲,则主要包括纳米微粒及由它构成的纳米固体(体材料与微粒膜)。纳米材料的研究是人类认识客观世界的新层次,是交叉学科跨世纪的战略科技领域。
纳米多晶金刚石的制备合成研究
２０１０年０４月第２期第３０卷第１７６期 金刚石与磨料磨具工程 Ｄｉａｍｏｎｄ＆ＡｂｒａｓｉｖｅｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ａｐｒ．２０ｔ０ Ｎｏ．２Ｖ０１．３０Ｓｅｒｉａｌ．１７６ 文章编号：１００６—８５２Ｘ（２０１０）０２—００７５一０４ 纳米多晶金刚石的制备合成研究’ 邹文俊王小品彭进位星韩平赵盟月 （河南工业大学材料科学与工程学院，郑州４５０００７） 摘要本文采用纳米金刚石粉作为原料，铁基（或镍基）金属粉做烧结助剂，利用超高压六面顶压机，在高温高压条件下进行了纳米多晶金刚石的刺备实验。研究了铁基（或镍基）金属粉与纳米金刚石粉体系再生长烧结的温度压力条件，并通过ＳＥＭ、ＸＲＤ等测试手段对多晶金刚石样品进行了微观形貌和内部成分分析。研究结果表明：合成的多晶尺寸不仅与触媒的种类有关，而且与触媒的粒度粗细也有关系；在６ＧＰａ、ｌ１００℃、合成时间６０Ｓ的条件下，制备的纳米多晶金刚石材料比较均匀致密，金刚石之间以Ｄ—Ｄ键结合为主。 关键词纳米金刚石；多晶体；高温高压；触媒金属 中图分类号ＴＱｌ６４文献标识码ＡＤＯＩ编码１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６—８５２Ｘ．２０１０．０２．０１７ Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｏｆｎａｎｏ—ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａＵｉｎｅｄｉａｍｏｎｄ ＺｏｕＷｅｎｊｕｎＷａｎｇＸｉａｏｐｉｎＰｅｎｇＪｉｎＷｅｉＸｉｎｇ ＨａｎＰｉｎｇＺｈａｏＭｅｎｇｙｕｅ （ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｅｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ４５０００７，Ｃｈｉｎａ） ＡｂｓｔｒａｃｔＵｓｉｎｇｎａｎｏ－ｄｉａｍｏｎｄｐｏｗｄｅｒａｓｒａｗｍａｔｅｒｉａｌａｎｄＦｅ－ｂａｓｅｄ（ｏｒＮｉ—ｂａｓｅｄ）ｍｅｔａｌｐｏｗｄｅｒａＬｓｓｉｎｔｅｒｉｎｇａｇｅｎｔ，ｎａｎｏ—ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｄｉａｍｏｎｄＷａｓｐｒｅｐａｒｅｄｕｎｄｅｒｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｈｉｇｈｐｒｅｓｓｕｒｅｏｎａｕｌｔｒａ—ｈｉｇｈｐｒｅｓｓｕｒｅｃｕｂｉｃｐｒｅｓｓ．Ｔｈｅｓｉｎｔｅｒｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｆｏｒｔｈｅｓｙｓｔｅｍｏｆｎａｎｏ—ｄｉａｍｏｎｄａｎｄＦｅ—ｂａｓｅｄ（ｏｒＮｉ－ｂａｓｅｄ）ｍｅｔａｌｐｏｗｄｅｒｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅｍｉｃｒｏ—ｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｔｈｅｎａｎｏ－ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅｄｉａｍｏｎｄｓａｍｐｌｅｓｗｅｒｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄｂｙｓｃａｎｎｉｎｇｅｌｅｃｔｒｏｎｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ（ＳＥＭ）ａｎｄＸ—ｒａｙｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ（ＸＲＤ）．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｓｉｚｅｏｆｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｄｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅｄｉａｍｏｎｄＷａｓｎｏｔｏｎｌｙｒｅｌａｔｅｄｔｏｔｈｅｋｉｎｄｏｆｃａｔａｌｙｓｔ，ｂｕｔａｌｓｏｔｏｔｈｅｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｚｅｏｆｃａｔａｌｙｓｔ．Ｎａｎｏ—ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｄｉａｍｏｎｄｓａｍｐｌｅｐｒｅｐａｒｅｄａｔ６ＧＰａ，１１００℃ａｎｄ６０Ｓｗａｓｕｎｉｆｏｒｍａｎｄｃｏｍｐａｃｔ．ＳＥＭｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｉｎｄｉｃａｔｅｄｔｈａｔｔｈｅｏｂｔａｉｎｅｄｄｉａｍｏｎｄＷａｓｃｏｍｂｉｎｅｄｂｙＤ—Ｄｂｏｎｄｉｎｇ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓｎａｎｏ—ｄｉａｍｏｎｄ；ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ；ｈｉｇｈｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｈｉ【ｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ；ｃａｔａｌｙｓｔｍｅｔａｌ ㈣言藻：篇盖盏罢怒姜雯嚣器嘉龛自然界中有两种多晶金刚石，一种是黑金刚石呈放射状的连生集合体。与单晶金刚石相比，这些多 ?基金项日：河南省高校超硬材料工程技术研究中心专项基金 万方数据
激光拉曼实验报告
激光拉曼及荧光光谱实验 一、实验目的 1、 了解激光拉曼的基本原理和基本知识以及用激光拉曼的方法鉴别物质成分和分子结构的原理； 2、 掌握LRS – II 激光拉曼/荧光光谱仪的系统结构和操作方法； 3、 研究四氯化碳CCL 4、苯C 6H 6等物质典型的振动—转动光谱谱线特征。 二、实验原理 2.1 基本原理 分子有振动。原子分双子的振动按经典力学的观点可以看成是简谐振子，其能量为 A 是振幅，k 是力常数。按照量子力学，简谐振子的能量是量子化的， t=0，1，2，3，···，是振动量子数，f 是振子的固有振动频率。如果在同一电子态中，有振动能级的跃迁，那么产生的光子能量 hf t t E E h )('12-=-=ν 波数为 CO 在红外部分有4.67微米、2.35微米、1.58微米等光谱带，其倒数之比近似为1： 2：3。当Δt=1时，测得的ν ~反映了分子键的强弱。 分子有转动。双原子分子的转动轴是通过质心而垂直于联接二原子核的直线的。按照经典力学，转动的动能是 式中P 是角动量，Ｉ是转动惯量， 222211r m r m I += 可以证明 I P I E 2212 2= =ω2 2 2 121r r m m m m I μ=+= 2222 1212 1 kA kx mv E =+ = 2 12 1m m m m m += hf t E )2 1(+=m k f π21= ,3,2,)(1 ~12ωωωωλ ν =?=-'=-= =t c f t t hc E E
上式中ｒ１，ｒ２和ｒ分别代表两原子到转轴的距离及两原子之间的距离，μ称为约化质量。按照量子力学，角动量应等于 代入上式得 此式可以从量子力学直接推得，Ｊ称为转动量子数。当Ｊ＝０，１，２，３，···等值时，相应的Ｊ（Ｊ＋１）＝０，２，６，１２，···，所以能级的间隔是I h 228π的２，４，６，８，···倍。 实验和理论都证明纯转动能级的跃迁只能在邻近能级之间，就是ΔＪ＝±１。所得 光谱的波长应该有下式表达的值： 谱线波数（ν ~）的间隔是相等的。ＨCL 分子远红外吸收谱中，曾观察到很多条吸收线，这些线的波数间隔应该是２Ｂ，实验测得：Ｂ＝１０．３４厘米 －１ ，所以由此求得 转动惯量Ｉ，进而求得ＨCL 分子中原子之间的核间距这一重要数据。 多原子分子的转动可以近似地看作刚体的转动，这涉及到多个转轴的不同的转动惯量。其谱线结构较为复杂，只有直线型的分子和对称高的分子转动曾研究出一些结果。在分析化学领域中提供了一些分析样品的标准特征谱线可供实验参照。 光通过透明的物体时，有一部分被散射。如果入射光具有线状谱，散射光的光谱中 除有入射光的谱线外，还另有一些较弱的谱线，这些谱线的波数ν '~等于入射光某一波数0~ν加或减一个数值，即10~~~ννν±='。新出现谱线的波数与入射光的波数之差发现与光源无关，只决定于散射物。如果换一个光源，0~ν不同了，但如果散射物不变换，那么0~~νν-'还是等于原来的1~ν，散射光的波数变动反映了散射物的性质。由于散射光的波数等于入射光的波数与另一数值1 ~ν组合的数值，所以这样的散射称作组合散射。 可以在紫外或可见区观测分子的振动和转动能级，通过选择波长在可见光波段的激 ,2,1,0,2) 1(=+=J h J J P π ) 1(82 2+= J J I h E πIc h B J BJ J J J J Ic h hc E E 2''''2'8, ,3,2,12)]1()1([8~1 ππνλ= ==+-+=-==
拉曼光谱实验报告
成绩 评定 教师 签名 嘉应学院物理学院近代物理实验 实验报告 实验项目：拉曼光谱 实验地点： 班级： 姓名： 座号： 实验时间：年月日
图2 ν? 0ν ν? 斯托克斯线 瑞利线 反斯托克斯线 一、实验目的： 1、 了解拉曼散射的基本原理 2、 学习使用拉曼光谱仪测量物质的谱线，知道简单的谱线分析方法。 二、实验仪器和用具： RBD 型激光拉曼光谱仪 三、实验原理： 按散射光相对于入射光波数的改变情况，可将散射光分为瑞利散射、布利源散射、拉曼散射；其中瑞利散射最强，拉曼散射最弱。在经典理论中，拉曼散射可以看作入射光的电磁波使原子或分子电极化以后所产生的，因为原子和分子都是可以极化的，因而产生瑞利散射，因为极化率又随着分子内部的运动（转动、振动等）而变化，所以产生拉曼散射。 在量子理论中，把拉曼散射看作光量子与分子相碰撞时产生的非弹性碰撞过程。在弹性碰撞过程中，光量子与分子均没有能量交换，于是它的频率保持恒定，这叫瑞利散射，如图（1a ）；在非弹性碰撞过程中光量子与分子有能量交换，从而使它的频率改变，它取自或给予散射分子的能量只能是分子两定态之间的差值12E E E ?=-，当光量子把一部分能量交给分子时，频率较低的光为斯托克斯线，散射分子接受的能量转变成为分子的振动或转动能量，从而处于激发态1E ，如图（1b ），这时的光量子的频率为0ννν'=-?；光量子从较大的频率散射，称为反斯托克斯线，这时的光量子的频率为0ννν'=+?。 最简单的拉曼光谱如图2所示，中央的是瑞利散射线，频率为0ν，强度最强；低频一侧的是斯托克斯线，强度比瑞利线的强度弱很多；高频的一侧是反斯托克斯线，强度比斯托克斯线的 图（1a ） 0h ν ()0h νν+? 0h ν ()0h νν-? 图（1b ） （上能态是虚能态，实 际不存在。这样的跃迁 过程只是一种模型实 际并没有发生） 0h ν 0h ν 0h ν 0h ν
硅纳米管的水热法合成与表征
第26卷 第8期2005年8月 半 导 体 学 报 CHIN ESE J OURNAL OF SEMICONDUCTORS Vol.26 No.8 Aug.,2005 3教育部博士点基金资助项目(批准号:20040532014) 裴立宅 男,1977年出生,博士研究生,从事硅及相关纳米材料的研究.Email :lzpei1977@https://www.docsj.com/doc/7b4851874.html, 唐元洪 通信联系人,男,1965年出生,教授,博士生导师,从事纳米信息材料的研究.Email :yhtang @https://www.docsj.com/doc/7b4851874.html, 2004212214收到,2005201224定稿 Ζ2005中国电子学会 硅纳米管的水热法合成与表征 3 裴立宅 唐元洪 陈扬文 郭 池 张 勇 (湖南大学材料科学与工程学院,长沙 410082) 摘要:采用水热法成功合成了新型的硅纳米管一维纳米材料,并采用透射电子显微镜、选区电子衍射分析、能量色散光谱及高分辨透射电子显微镜对合成的硅纳米管进行了表征.研究表明硅纳米管是一种多壁纳米管,为立方金刚石结构,生长顶端呈半圆形的闭合结构,由内部为数纳米的中空结构,中部为晶面间距约0131nm 的晶体硅壁层,最外层为低于2nm 的无定形二氧化硅等三部分组成.关键词:硅纳米管;水热法;结构;表征 PACC :6146;8160C 中图分类号:TN30411 文献标识码:A 文章编号:025324177(2005)0821562205 1 引言 自从碳纳米管[1]及硅纳米线[2,3]等一维纳米材 料被成功合成后,立刻引起了诸多领域科学家的极大关注与浓厚兴趣,一维纳米材料的研究成为了当今基础和应用研究的热点.碳纳米管能否具有金属或半导体特性取决于纳米管的石墨面碳原子排列的螺旋化方向[4,5],然而到目前为止,还没有人成功制备出金属或半导体碳纳米管,因此虽然碳纳米管作为场效应晶体管(FET )及纳米电子集成电路的研究已有报道[6,7],但是碳纳米管在应用上还有很大的局限性.同时由于硅纳米一维材料与现有硅技术极好的兼容性,使其具有代替碳纳米管的潜力.目前已经采用物理及化学方法成功合成了硅的实心一维纳米材料———硅纳米线[8,9],但是由于元素硅的硅键为sp 3杂化,而不是易于形成管状具有石墨结构的sp 2杂化,所以硅的中空一维纳米材料,硅纳米管难于合成.因此,目前在硅纳米管,尤其是自组生长的硅纳米管的合成方面仍是一个极具挑战性的难题.对硅纳米管模型进行理论研究表明硅纳米管可以稳定存在,同时也发现稳定的硅纳米管结构总是具有 半导体性能[10,11].最近Sha 等人[12]以纳米氧化铝沟道(NCA )为衬底模板,以硅烷为硅源、金属Au 为催化剂,于620℃,1450Pa 时通过化学气相沉积催化生长了直径小于100nm 的硅纳米管;J eong 等人[13]在617×10-8Pa 的真空分子束外延生长(MB E )室中于400℃在氧化铝模板上溅射硅原子或硅团簇,并于600或750℃氧化处理后制备了直径小于100nm 的硅纳米管.虽然目前模板法可以制得硅纳米管,但是此法制备过程较复杂,需要模板及金属催化剂,同时实质上所得硅纳米管是硅原子在模板内壁无序堆积形成的. 水热法是制备纳米粉末的常用方法,对于制备具有一维结构的纳米材料鲜有报道.水热法成功合成了碳纳米丝及碳纳米管[14,15]表明,此法在制备一维纳米材料方面也有极大的应用潜力.水热法具有成本低廉、容易操作控制及可重复性好等特点.本文报道在没有使用催化剂及模板的前提下,采用高压反应釜,在超临界水热条件下合成了自组生长的一维纳米硅管,并用TEM ,EDS ,SA ED 和HR TEM 对其结构及成分进行了表征.这是一种真正意义上的硅纳米管,对于组装纳米器件具有重大的应用与研究意义.
碳纳米管复合材料的制备_表征和电化学性能
第11卷 第2期2005年5月 电化学 ELECTROCHE M ISTRY V o.l 11 N o .2M ay 2005 文章编号:1006-3471(2005)02-0152-05 收稿日期:2004-11-02,*通讯联系人T el :(86-592)2185905,E -m a il :qfdong @x m u .edu .cn 973项目(2002CB211800),国家自然科学基金(20373058),福建省科技项目(2003H 044)资助 碳纳米管复合材料的制备、表征和电化学性能 董全峰* ,郑明森,黄镇财,金明钢,詹亚丁,林祖赓 (厦门大学化学系,厦大宝龙电池研究所,固体表面物理化学国家重点实验室,福建厦门361005) 摘要: 作为锂离子电池负极材料,碳纳米管和金属锡或其氧化物都曾引起过人们浓厚的兴趣,但由于其自 身的缺陷,这些材料均未能得到进一步的发展.本文以不同方法合成了碳纳米管和金属锡或其氧化物的复合材料,对其结构、形貌进行表征,并考察它的电化学性能. 关键词: 碳纳米管; 复合材料;制备;电化学性能中图分类号: O 646;T M 911 文献标识码: A 碳纳米管(CNT )是一种新型的碳材料[1,2] .碳纳米管在结构上与其它的碳材料有很大的不同,它不仅具有典型石墨层状结构(管壁),同时又具有无序碳的结构(内外表面的碳层及所附着的无序碳微粒),还具有与MC MB 类似的内腔结构,而且表面及边缘又存在结构缺陷,管与管之间为纳米间隙,管中还存在部分的H 原子掺杂.在制备上,碳纳米管可以通过控制一定的反应条件来调控它的几何结构参数,如管的管壁,外径、内径大小,及管的长度.基于其特殊的结构和高的导电率,吸引了众多研究者开展了大量研究工作,希望它能成为新一代锂离子电池“理想”的负极材料[3,4] . 由于碳纳米管的高比表面及其结构缺陷,锂不仅能嵌入管中的石墨层,还能嵌入它的孔隙及边缘缺陷中,使得它尽管具有高的嵌锂容量,但由于比表面积较大而表现出很大的不可逆容量.又因为在碳纳米管的结构中含有氢原子以及管壁层间和管 腔之内有间隙碳原子的存在[5] ,故其嵌锂容量出现较大的滞后现象.这些都限制了C NT 作为电极活性材料在实际中的应用,所见者只是被用作电极添加剂的报道.本文综合了碳纳米管和锡基材料的优点,规避其本身固有的缺陷,在碳纳米管的表面沉积/包覆锡或氧化锡形成CNT 复合材料,这样不仅可减少碳纳米管的比表面积,同时直接采用金属锡取代锡基氧化物,不存在氧化物的还原过程,从 而大大降低初次充电不可逆容量损失;通过控制反应条件在表面沉积过程中包覆纳米级的锡,使表面沉积/包覆锡的碳纳米管能在保持高容量的同时,也具有良好的循环寿命.此外,还提高了它的体积能量密度. 1 实 验 1.1 碳纳米管的制备 应用Sol -ge l 法制备N i -M g -O 催化剂,方法见文献[6],所用试剂N i (NO 3)2 6H 2O 、M g (NO 3)2 6H 2O 和柠檬酸均为分析纯(上海化学试剂有限公司).将制备好的催化剂称取一定量置于陶瓷舟内,放在反应器的恒温区内,于氢气氛下缓慢升温至700℃,还原一段时间后,降温到600℃稳定10m in ,然后以20m L /m i n 的流量导入C H 4气体,经反应一定时间后自然冷却至室温(冷却过程中继续通气体).用分析纯硝酸(上海化学试剂有限公司,AR 65%)处理反应后的样品,洗涤、烘干后即得到碳纳米管.反应装置是在一个水平放置的管式电炉内放一内径为5c m 的石英管(长140c m ),其恒温区为20c m ,电炉为SK -2-4-12型管式电阻炉(上海实验电炉厂),额定功率4k W ,额定温度1200℃,控温装置为A1-708P A 型程序控温仪(厦门宇光电子技术研究所),流量计为D08-4C /Z M 质量流量控制仪(北京建中机器厂).
纳米材料的制备以及表征教学总结
纳米材料的制备以及表征 纳米科技作为21世纪的主导科学技术，将会给人类带来一场前所未有的新的工业革命。纳米科技使我们人类认识和改造物质世界的手段和能力延伸到原子和分子。纳米材料是目前材料科学研究的一个热点，纳米材料是纳米技术应用的基础。科学家们正致力于研究对纳米材料的组成、结构、形态、尺寸、排列等的控制，以制备符合各种预期功能的纳米材料。 低维纳米材料因其具有独特的物理化学特性以及在各个同领域的广泛应用 而受到国内外许多科研小组的广泛关注。钒氧化物纳米材料因为具有良好的催化性能、传感特性及电子传导特性而成为研究低维纳米材料物理化学现象的理想体系。尤其是对钒氧化合物纳米线、纳米带、纳米管的结构与性能的研究日益深入。另外，稀土正硼酸盐纳米材料因其独特的发光性能、电磁性能引起了广大科研小组的浓厚兴趣，是低维纳米材料领域研究的一个热点内容。 1.绪论 1.1纳米材料的发展概况 早在60年代，东京大学的久保良吾(Kubo)就提出了有名的“Kubo效应”， 认为金属超微粒子中的电子数较少，而不遵守Femri统计，并证实当结构单元变得比与其特性有关的临界长度还小时，其特性就会发生相应的变化。70年代末80年代初，随着干净的超微粒子的制取及研究，“Kubo效应”理论日趋完善， 为日后纳米技术理论研究打下了基础。人们对纳米颗粒的结构、形态和特性进行了比较系统的研究，描述金属微粒费密面附近电子能级状态的久保理论日趋完善，并且用量子尺寸效应成功地解释了超微粒子的某些特性[3]。最早使用纳米颗粒 制备三维块体试样的是德国萨尔兰大学教授H.Gletier，他于1984年用惰性气体蒸发、原位加压法制备了具有清洁表面的纳米晶Pd、cu、Fe等[4]，并从理论及性能上全面研究了相关材料的试样，提出了纳米晶材料的概念，成为纳米材料的创始者。1987年美国Argon实验室sigeel博士课题组用相同方法制备了纳米陶 瓷TIOZ多晶体。纳米技术在80年代末和90年代初得到了长足发展，并逐步成为一个纳米技术体系。1990年7月，第一届国际纳米科技会议在美国巴尔的摩 召开，标志着纳米科学技术的正式诞生;正式提出了纳米材料学、纳米生物学、
激光拉曼光谱仪实验报告
实验六 激光拉曼光谱仪 【目的要求】 1.学习和了解拉曼散射的基本原理； 2.学习使用激光拉曼光谱仪测量CCL 4的谱线； 【仪器用具】 LRS-3型激光拉曼光谱仪、CCL 4、计算机、打印机 【原 理】 1. 拉曼散射 当平行光投射于气体、液体或透明晶体的样品上，大部分按原来的方向透射 而过，小部分按照不同的角度散射开来，这种现象称为光的散射。散射是光子与物质分子相互碰撞的结果。由于碰撞方式不同，光子和分子之间会有多种散射形式。 ⑴ 弹性碰撞 弹性碰撞是光子和分子之间没有能量交换，只是改变了光子的运动方向，使得散射光的频率与入射光的频率基本相同，频率变化小于3×105HZ ，在光谱上称为瑞利散射。瑞利散射在光谱上给出了一条与入射光的频率相同的很强的散射谱线，就是瑞利线。 ⑵ 非弹性碰撞 光子和分子之间在碰撞时发生了能量交换，这不仅使光子改变了其运动方向，也改变了其能量，使散射光频率与入射光频率不同，这种散射在光谱上称为拉曼散射，强度很弱，大约只有入射线的10-6。 由于散射线的强度很低，所以为了排除入射光的干扰，拉曼散射一般在入射线的垂直方向检测。散射谱线的排列方式是围绕瑞利线而对称的。在拉曼散射中散射光频率小于入射光频率的散射线被称为斯托克斯线；而散射光频率大于入射光频率的散射线被称为反斯托克斯线。斯托克斯线和反斯托克斯线是如何形成的呢？在非弹性碰撞过程中，光子与分子有能量交换, 光子转移一部分能量给分子, 或者从分子中吸收一部分能量，从而使它的频率改变，它取自或给予散射分子的能量只能是分子两定态之间的差值21E E E -=?。在光子与分子发生非弹性碰撞过程中，光子把一部分能量交给分子时，光子则以较小的频率散射出去，称为频率较低的光(即斯托克斯线)，散射分子接受的能量转变成为分子的振动或转动能
拉曼光谱实验报告
嘉应学院物理学院近代物理实验 实验报告 实验项目：拉曼光谱 实验地点： 班级： 姓名： 座号：
实验时间：年月日 一、实验目的： 1、了解拉曼散射的基本原理 2、学习使用拉曼光谱仪测量物质的谱线，知道简单的谱线分析方法。 二、实验仪器和用具： RBD型激光拉曼光谱仪 三、实验原理： 按散射光相对于入射光波数的改变情况，可将散射光分为瑞利散射、布利源散射、拉曼散射；其利散射最强，拉曼散射最弱。在经典理论中，拉曼散射可以看作入射光的电磁波使原子或分子电极化以后所产生的，因为原子和分子都是可以极化的，因而产生瑞利散射，因为极化率又随着分子部的运动（转动、振动等）而变化，所以产生拉曼散射。 在量子理论中，把拉曼散射看作光量子与分子相碰撞时产生的非弹性碰撞过程。在弹性碰撞过程中，光量子与分子均没有能量交换，于是它的频率保持恒定，这叫瑞利散射，如图（1a）；在非弹性碰撞过程中光量子与分子有能量交换，从而使它的频率改变，它取自或给
图2 ν?0νν? 斯托克斯线瑞利线反斯托克斯线予散射分子的能量只能是分子两定态之间的差值 12 E E E ?=-，当光量子把一部分能量交 给分子时，频率较低的光为斯托克斯线，散射分子接受的能量转变成为分子的振动或转动能 量，从而处于激发态 1 E，如图（1b），这时的光量子的频率为 ννν '=-?；光量子从较大 的频率散射，称为反斯托克斯线，这时的光量子的频率为 ννν '=+?。 最简单的拉曼光谱如图2所示，中央的是瑞 利散射线，频率为 ν，强度最强；低频一侧的 是斯托克斯线，强度比瑞利线的强度弱很多；高 频的一侧是反斯托克斯线，强度比斯托克斯线的 强度又要弱很多，因此并不容易观察到反斯托克 斯线的出现，但反斯托克斯线的强度随着温度的升高而迅速增大。斯托克斯线和反斯托克斯 线通常称为拉曼线，其频率常表示为 νν ±?，ν?称为拉曼频移。为尽可能地考虑增强入射光的光强和最大限度地收集散射光，又要尽量地抑制和消除主要来自瑞利散射的背景杂散光，提高仪器的信噪比。拉曼光谱仪一般由图3所示的五个部分构成。 仪器的外形示意图见图5所示。仪器配套实验台，各分部件安装于实验台上，实验台结实平稳，满足精度光学实验的要求。 图3 拉曼光谱仪的基本结构
纳米材料的测试与表征
报告 课程名称纳米科学与技术专业班级电气1241 姓名张伟 学号32 电气与信息学院 和谐勤奋求是创新
纳米材料的测试与表征 摘要：介绍了纳米材料的特性及测试与表征。综合使用各种不同的分析和表征方法，可对纳米材料的结构和性能进行有效研究。 关键词：测试技术；表征方法；纳米材料 引言 纳米材料具有许多优良的物理及化学特性以及一系列新异的力、光、声、热、电、磁及催化特性，被广泛应用于国防、电子、化工、建材、医药、航空、能源、环境及日常生活用品中，具有重大的现实与潜在的高科技应用前景。纳米材料的化学组成及其结构是决定其性能和应用的关键因素，而要探讨纳米材料的结构与性能之间的关系，就必须对其在原子尺度和纳米尺度上进行表征。其重要的微观特征包括：晶粒尺寸及其分布和形貌、晶界及相界面的本质和形貌、晶体的完整性和晶间缺陷的性质、跨晶粒和跨晶界的成分分布、微晶及晶界中杂质的剖析等。如果是层状纳米结构，则要表征的重要特征还有：界面的厚度和凝聚力、跨面的成分分布、缺陷的性质等。总之，通过对纳米材料的结构特性的研究，可为解释材料结构与性能的关系提供实验依据。 纳米材料尺度的测量包括：纳米粒子的粒径、形貌、分散状况以及物相和晶体结构的测量；纳米线、纳米管的直径、长度以及端面结构的测量和纳米薄膜厚度、纳米尺度的多层膜的层厚度的测量等。适合纳米材料尺度测量与性能表征的仪器主要有：电子显微镜、场离子显微镜、扫描探测显微镜Χ光衍射仪和激光粒径仪等。 紫外和可见光谱是纳米材料谱学分析的基本手段，分为吸收光谱、发射光谱和荧光光谱。吸收光谱主要用于监测胶体纳米微粒形成过程；发射光谱主要用于对纳米半导体发光性质的表征，荧光光谱则主要用来对纳米材料特别是纳米发光材料的荧光性质进行表征。红外和喇曼光谱的强度分别依赖于振动分子的偶极矩变化和极化率的变化，因而，可用于揭示纳米材料中的空位、间隙原子、位错、晶界和相界等方面的信息。纳米材料中的晶界结构比较复杂，与材料的成分、键合类型、制备方法、成型条件以及热处理过程等因素均有密切的关系。喇曼频移与物质分子的转动和振动能级有关，不同的物质产生不同的喇曼频移。喇曼频率特征可提供有价值的结构信息，利用喇曼光谱可以对纳米材料进行分子结构、键态特征分析和定性鉴定等。喇曼光谱具有灵敏度高、不破坏样品、方便快速等优点，是研究纳米材料，特别是低维纳米材料的首选方法。 目前对纳米微观结构的分析表征手段主要有扫描探针显微技术，它包括扫描隧道电子显微镜、原子力显微镜、近场光学显微镜等。利用探针与样品的不同相互作用，在纳米级至原子级水平上研究物质表面的原子和分子的几何结构及与电子行为有关的物理、化学性质。例如用STM不仅可以观察到纳米材料表面的原子或电子结构，还可以观察表面存在的原子台阶、平台、坑、丘等结构缺陷。高分辨电子显微镜用来观察位错、孪晶、晶界、位错网络等缺陷，核磁共振技术可以用来研究氧缺位的分布、原子的配位情况、运动过程以及电子密度的变化；用核磁共振技术可以研究未成键电子数、悬挂键的类型、数量以及键的结构特征等。 测试技术的发展 纳米测试技术的研究大致分为三个方面：一是创造新的纳米测量技术，建立新理论、新方法；二是对现有纳米测量技术进行改造、升级、完善，使它们能适应纳米测量的需要；三是多种不同的纳米测量技术有机结合、取长补短，使之能适应纳米科学技术研究的需要。纳米测试技术是多种技术的综合，如何将测试技术与控制技术相融合，将探测、定位、测量、控制、信号处理等系统结合在一起构成一个大系统，开发、设计、制造出实用新型的纳米测量系统，是亟待解决的问题，也是今后发展的方向。随着纳米材料科学的发展和纳米制备技术的进步，将需要更新的测试技术和手段来表征、评价纳米粒子的粒径、形貌、分散和团聚
硅单晶上类金刚石薄膜织构和外延取向与界面价电子结构的关系
中国科学 E 辑: 技术科学 2007年 第37卷 第9期: 1163~1169 https://www.docsj.com/doc/7b4851874.html, 《中国科学》杂志社 SCIENCE IN CHINA PRESS 硅单晶上类金刚石薄膜织构和外延取向与 界面价电子结构的关系 李志林* 李志峰 黄 钦 (北京化工大学材料科学与工程学院, 北京100029) 摘要 金刚石和立方氮化硼薄膜由于其优异的性能已经获得了实际应用. 该类薄膜的特定取向对其在光学和微电子学领域的应用有特殊意义. 用固体与分子经验电子理论(EET)计算了衬底硅不同晶面与金刚石和立方氮化硼薄膜不同晶面的相对电子密度差, 从计算结果分析认为, 对所研究的薄膜, 薄膜与基底界面的电子密度差越小, 薄膜在热力学上越稳定, 界面的电子密度差是决定薄膜织构或外延取向的本质原因. 这些推断与实验事实符合得很好. 该计算方法和理论不仅为探讨金刚石和立方氮化硼在硅单晶表面上的薄膜生长机制提供了一个新视角, 还可能为其他薄膜取向的预测提供指导. 关键词 薄膜 界面电子密度 织构 外延 金刚石 立方氮化硼 金刚石薄膜由于其优异的性能已经在光学、热学、压力传感器及高保真扬声器涂层和刀具等方面获得实际应用. 由于其良好的化学稳定性、极高的击穿场强、高热导率、低介电常数、高的载流子迁移率以及高达5.5eV 的禁带宽度, 故金刚石薄膜是制备在高温、高压和强辐射条件下工作的微电子器件以及高频、大功率微波固体器件的理想材料, 其最有价值的应用领域是在微电子学方面. 在微电子领域希望得到的是单晶材料[1], 然而目前气相沉积得到的薄膜大多是多晶的杂乱取向膜, 所以金刚石薄膜在微电子方面获得更广泛的应用的前提是制备出取向优良的织构膜, 最好是外延膜. 与其他织构取向或自由取向的金刚石膜相比, 具有(100) 织构取向的金刚石薄膜具有较少的晶界、缺陷浓度和较平整的表面[2], 使其在光学和微电子学领域获得了实际应用. 作为一种类金刚石材料, 立方氮化硼(c-BN)薄膜也具有极高的硬度, 是宽带隙半导体材料. 而且c-BN 相对于金刚石来说易掺杂, 可以掺杂成n 型和p 型半导体, 所以c-BN 薄膜在光学和电学领域具有良好的应用前景. 由于Si 与金刚石和c-BN 的结构和性质类似, 且单晶Si 衬底比其他的单晶衬底更容易得到, 所以单晶Si 是沉积金刚石和c-BN 薄膜最常用的衬底, 其中以Si 的(100)和(111)晶面最为常见. 收稿日期: 2006-10-10; 接受日期: 2007-02-14 教育部重点研究项目(批准号: 02018)和北京市自然科学基金(批准号: 2072014)资助项目 * E-mail:
碳纳米管ZnO纳米复合体的制备和表征
物理化学学报(Wuli Huaxue Xuebao ) Acta Phys.鄄Chim.Sin .,2007,23(2)：145-151 Received:August 9,2006;Revised:November 7,2006.English edition available online at https://www.docsj.com/doc/7b4851874.html, ? Corresponding author.Email:qingchen@https://www.docsj.com/doc/7b4851874.html,;Fax:+8610?62757555.国家自然科学基金委国际合作项目(60440420450)、高等学校博士学科点专项科研基金(20050001055)和新世纪优秀人才支持计划资助 ?Editorial office of Acta Physico ?Chimica Sinica [Article] https://www.docsj.com/doc/7b4851874.html, February 碳纳米管/ZnO 纳米复合体的制备和表征 杨闵昊 梁涛彭宇才陈 清? (北京大学电子学系,纳米器件物理与化学教育部重点实验室,北京 100871) 摘要： 通过将不同直径的ZnO 纳米颗粒与碳纳米管连接制备了碳纳米管/ZnO 纳米复合体.将团聚的ZnO 纳 米颗粒分散并用表面活性剂CTAB 使纳米颗粒带正电.化学氧化碳纳米管使其带负电.ZnO/CTAB 微团通过碳管表面羧基与CTAB 的静电作用与碳纳米管连接形成纳米复合体.研究了复合体形成的不同实验条件,表征了碳纳米管/ZnO 纳米复合体的结构并研究了纳米复合体的光学特性.研究表明,与碳纳米管连接的ZnO 纳米颗粒是互不连接的并保持量子点的特性.光致发光研究表明ZnO 纳米颗粒的激发在纳米复合体中有淬灭.关键词：ZnO ；碳纳米管；纳米复合体中图分类号：O648 Synthesis and Characterization of a Nanocomplex of ZnO Nanoparticles Attached to Carbon Nanotubes YANG Min ?Hao LIANG Tao PENG Yu ?Cai CHEN Qing ? (Key Laboratory for the Physics and Chemistry of Nanodevices of the Ministry of Education,Department of Electronics, Peking University,Beijing 100871,P.R.China )Abstract ：A CNT/ZnO nanocomplex was fabricated by attaching ZnO nanoparticles with various diameters to carbon nanotubes (CNTs).The as ?prepared agglomerate ZnO nanoparticles were dispersed and positively charged by utilizing a cationic surfactant cetyltrimethylammonium bromide (CTAB).ZnO/CTAB micelles were subsequently anchored to the surface of CNTs by electrostatic interaction between carboxyl groups on the chemically oxidized nanotubes ′sidewalls and CTAB molecules.Different experimental conditions for the attachment were studied.The CNT/ZnO nanocomplex was characterized using structural and optical analysis methods.ZnO nanoparticles attached to the carbon nanotubes were found to be separated from each other maintaining characteristics of quantum dots Photoluminescence study showed that the emission of ZnO nanoparticles was quenched in the nanocomplex.Key Words ：ZnO ；Carbon nanotube ；Nanocomplex Due to their unique physical and chemical properties,car-bon nanotubes (CNTs)have broad applications in nanoelectron-ics [1-6],catalysis [7],sensors [8,9],and biosensors [10].Attaching nanopar-ticles to nanotube sidewalls is expected to enhance the CNT ap-plications as in catalysis,fuel cells,or sensors.Various ap-proaches for CNT/nanoparticle complexes have been suggested,such as physical evaporation [9],chemical reaction with functional ized CNTs [11-16].Materials that have been attached to CNTs in-clude gold [12-14,17,18],platinum [7,14],and palladium [9,19]nanoparticles [15,16],proteins and small biomolecules [20],polymers [21],CdSe ?ZnS core ? shell nanocrystals [22],and ZnO clusters [23,24]. ZnO is a wide band gap (3.37eV)semiconductor having broad applications in room temperature ultraviolet lasing,chem-ical sensors,photovoltaics,piezoelectric transducers,and single electron transistors [25-28].ZnO nanoparticles have been extensive-ly studied over the past years because of their size ?dependent electronic and optical properties [25,26].Combining ZnO nanoparti-cles with CNTs is expected to produce materials with enhanced electronic and optical properties.A couple of groups have start-ed to explore this direction very recently.ZnO nanoparticles 145