（凝聚态物理专业论文）表面与低维纳米材料的能带结构研究.pdf

博十学位论文 摘要 近年来，人们通过大量实验研究发现了纳米材料的许多新奇物理现象。但是， 由于经典理论方法如连续介质理论以及近代量子理论在应用于纳米体系时都遇到 了不同程度的困难，使纳米体系的理论研究远远滞后于实验研究。因此，迫切需 要建立一个既能克服经典理论和量子理论所遇障碍又能从本质上分析这些新颖物 理现象并预测这些可测物理量行为趋势的理论模型。 由于高百分比的低配位原子及其原子间相互作用，纳米材料的性质显著不同 于块体材料和单分子。最近提出的键序键长键强( b o l s ) 理论从成键断键角度提 出一系列模型，很好的解释了纳米材料的异常行为，并给出了纳米材料的尺寸效 应的行为规范。b o l s 理论是基于g o l d s c h m i d t 和p a u l i n g 的键序键长( b o l ) 理论并 将其拓展到能量空间而来的，其核心思想是，低配位原子间的键长缩短，键强增 强。从而，在低配位原子区域产生局域应变，导致了哈密顿量和原子结合能的变 化，最终从本质上改变了纳米材料的性质，如杨氏模量增大、禁带宽度蓝移、熔 点温度降低等。b o l s 理论为我们提供了研究表面与低维纳米材料物性变化的有 效方法，现已成功用于预测纳米固体的形状和尺寸效应。 本论文运用b o l s 理论与高分辨率x 射线光电子能谱( x p s ) 相结合的方法研究 了三个方面的问题：( i ) 半导体纳米复合材料的禁带宽度的尺寸或组分依赖性；( i i ) 表面与纳米材料的原子内层能级偏移的物理机制；( i i i ) 金属合金催化剂不同催化 行为的物理本质。其具体工作和主要结果如下： 1 基于b o l s 理论，从原予角度研究了尺寸和组分对i i v i 族半导体纳米复 合材料禁带宽度变化的影响。理论研究表明，半导体纳米复合材料的禁带宽度与 其键性( 键序、键长、键强、键的属性) 有着密切联系。理论预测与实验测量的一 致性证明了尺寸和组分对l i v l 族半导体纳米复合材料禁带宽度的改变都具有调 节作用，并提供了一条获得半导体纳米复合材料所需物理性质的有效方法。 2 采用b o l s 理论与高分辨率x p s 谱结合法，研究了原子层和晶面对r h 、 p d 两种面心立方( f a c e c e n t e r e dc u b i c ，简称为f c c ) 金属和b e 、r u 两种密排六方 ( h e x a g o n a lc l o s e d p a c k e d ，简称为h c p ) 金属的内层能级偏移。理论研究得出以 下信息：( i ) 孤立原子的内层能级：r h ( 3 d 5 ，2 ：3 0 2 1 6 3e v ) 、p d ( 3 d 5 2 ：3 3 0 2 6 1e v ) 、 b e ( 1 s ：1 0 6 4 0e v ) 和r u ( 3 d ：2 7 5 8 8 3e v ) 以及对应的块体偏移量尻( ) ( 4 3 6 7 、 4 3 5 9 、4 7 2 和3 6 6 1e v ) ；( i i ) 表面原子层和晶面共同确定的有效配位数、局域应 变、势阱深度、束缚能密度和原子结合能等信息；( i i i ) 表面原子导致的内层能级 正偏移的物理机制。理论研究证明了低配位原子间的键变短，键强增强，引起哈 l l 博上学位论文 密顿量微扰，最终导致内层能级偏移，从而，呈现出奇特的表面电子行为。 3 低配位重金属吸附原子具有非常高的催化效率，但其电学本质依然是个谜。 b o l s 理论与高分辨率的x p s 谱结合法进一步证实了，断键不仅导致局域应变和 量子束缚的产生，而且s 轨道上半满电荷受到由于势阱加深导致的高密度电荷的 库仑排斥作用而向高能端( 绝对值小) 激发，产生电子的局域极化。在价带和内层 能带的态密度演变过程中，我们能观察到束缚态和极化态，发现p t ( 5 d 1 0 6 s o ) 4 f 7 ，2 和r h ( 4 d 8 5 s 1 ) 3 d 5 ，2 的能带底部都出现了束缚态，但是只有在r h ( 4 d 8 5 s 1 ) 3 d 5 ，2 能带 顶部才出现极化态。这表明量子束缚( q u a n t u mt r a p p i n g ，简称为q t ) 能够使电负 性增强，电荷极化( p o l a r i z a t i o n ，简称为p ) 使电负性减弱。因此，化学催化过程中， r h 吸附原子的内层能级为施主能级，贡献电荷；p t 吸附原子的内层能级为受主 能级，吸收电荷。 4 运用b o l s 理论分析了f e 表面和f e 纳米粒子的2 p 3 ，2 能级偏移情况，得出 了f e2 p 3 ，2 能级从孤立原予的2 p 3 2 能级( 7 0 4 5 2e v ) 偏移到体材料原子的对应能级 ( 7 0 6 6 9e v ) ，其正偏移量为2 1 7e v 。另外，最外层和表面第二层原子对应的内层 能级进一步产生正偏移，其值分别为0 3 2 和0 1 6e v 。理论预测和实验数据非常 一致，这证明了断键导致局域键收缩和量子束缚，从而引起哈密顿量微扰，最终 导致了f e2 p 3 ，2 能级偏移。 5 虽然二元金属合金a g p d 和c u p d 同为重要的催化剂，但它们却表现出截然 不同的催化行为，其物理机制有待我们进一步探究。c u 和a g 薄膜分别沉积在p d 基体上形成合金时，我们研究了它们的价带、c u2 p 、a g3 d 和p d3 d 能级的态密 度演变过程。研究结果表明，c u p d 合金的价带和内层能级的电荷出现正偏移， 而a g p d 合金的价带和内层能级的电荷出现负偏移。这说明了催化过程中c u p d 由于量子束缚成为受主，而a g p d 由于电荷极化成为施主。这有助于区分c u p d 和 a 驴d 在催化过程中不同催化行为的根本原因。 理论研究与实验测量结果的一致性证明了低配位原子间的键长变短，键强增 强，导致了局域应变、近肤电荷和能量钉扎效应，最终造成了禁带宽度蓝移和内 层能级正偏移。运用b o l s 理论与x p s 谱相结合的方法，能够从x p s 谱中提取其它 传统方法无法获得的原子信息。这是研究表面与低维纳米材料的能带结构和预测 其能带结构变化趋势的有效途径，也是连接宏观理论方法与微观理论方法的桥梁。 关键词：低维纳米材料；键序一键长一键强理论；量子束缚；电荷极化；b o l s 与 x p s 相结合法 h l 博士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，al a 唱en u m b e ro ff a s c i n a t i o np h e n o m e n ao fl o w d i m e n s i o n a l n a n o m a t e r i a l sh a v eb e e nf o u n d b y i n t e n s i v e e x p e r i m e n t a l s t u d i e s h o w e v e r ， f l l n d a m e n t a lp r o g r e s si nt h e o r yi sl a g g e df a rb e h i n dt h ee x p e r i m e n t a le x p l o i t a t j o n sf b r t h ec l a s s i c a la p p r o a c h e ss u c ha sc o n t i n u u mm e d i u mm e c h a n i c sa n dt h eq u a n t u m a p p r o a c he n c o u n t e rs o l i i ed i f e c u l t i e s t h e r e f o r e ，am o d e lt oo v e r c o m et h el i m i t a t i o n s e n c o u n t e r e di nb o t ha p p r o a c h e sa n dt ou n d e r s t a n dt h e i rp h y s i c a l0 f i g i na n dp r e d i c t g e n e r a lt r e n do fm a t e r i a lp r o p e r t i e sw i t hs i z er e d u c t i o ni sh i g h l yd e m a n d e d n a n o m a t e r i a l sa r ed i f f e r e n tf r o mt h ec o r r e s p o n d i n gb u l ka n ds i n g l ea t o md u et o h i g h f r a c t i o n0 fa t o m sw i t hl o wc o o r d i n a t i o nn u m b e ra n di t si n t e r a c t i o n r e c e n t l y - d e v e l o p e d b o n d o r d e r l e n g t h s t r e n g t h( b o l s ) c o r r e l a t i o nm e c h a n i s m e s t a b l i s h e sas e r i e sm o d e l sf r o mt h ep e r s p e c t i v eo ff r o mt h ep e r s p e c t i v eo fb o n d m a k i n ga n d b o n db r e a k i n g i tc a ne x p l a i nt h eo r i g i no fn a n o m a t e f i a l sv a r i o u s a s t o n i s h i n gb e h a v i o u r s ， a n dp r 0 v i d et h er u l e so fs i z ee f f e c t b o l sc o r r e l a t i o n m e c h a n i s mi sb a s e do nt h eb o n d - o r d e r l e n g t h( b o l )p f e m i s eo fp a u l i n ga n d g o l d s c h m i d t ，a n de x t e n d e dt ot h ee n e r g ys p a c e t h ec o r ei d e ao fb o l sc o r r e l a t i o n m e c h a n i s mi st h a tt h eu n d e r - c o o r d i n a t e da t o m sh a v el e s sa t o m i cb o n d sc o n n e c t i n g w i t ha d j a c e n ta t o m s ，w h i c hc a u s e st h er e m a i n i n gb o n d st oc o n t r a c ts p o n t a n e o u s l y t o g e t h e rw i t hb o n ds t r e n g t he n h a n c e m e n t t h e n ，l o c a ls t r a i na n dq u a n t u mt r a p p i n ga r e f o r m e d i m m e d i a t e l y a tt h es i t e s s u r r o u n d i n g t h eu n d e 卜c o o r d i n a t e da t o m s c o n s e q u e n t l y ，h a m i h o n i a na n dc o h e s i v ee n e r g y a r em o d i f i e d ，w h i c hc h a n g et h e d e t e c t a b l ep r o p e r t i e sf t o mt h ep h y s i c a lo r i g i n ，s u c ha st h ee x p a n s i o no fy o u n g s m o d u l u s ，b a n d g a pb l u e s h i f t ，m e l t i n gp o i n td e c r e a s i n ga n de t c b o l sc o r r e l a t i o n m e c h a n i s mp r 0 v i d e su sac o n s j s t e n tu n d e r s t a n d j n g0 nt h ev a r j a t i o no fv a r i o u s m a t e r i a l sp r o p e r t i e s i th a sb e e ns u c c e s s f u l l yp r e d i c t e dt h en a n o m a t e r i a l sp r o p e r t i e s w i l ht h es h a p ea n ds i z e t h i st h e s i sm a i n i yd i s c u s s e st h r e ei s s u e su s i n gt h em e t h o do fi n c o r p o r a t i n gt h e b o l sc o r r e l a t i o nm e c h a n j s mj n t oh e h j g h r e s o l u t i o nx - r a y p h o t o e j e c t r o n s p e c t r o s c o p y ( x p s ) m e a s u r e m e n t s ：( i ) t h es i z ea n dc o m p o s i t i o nd e p e n d e n tb a n dg a p o fs e m i c o n d u c t o rn a n o m a t e r i a l s ； ( i i ) t h e p h y s i c a l m e c h a n i s mo fs u r f a c ea n d n a n o m a t e r i a l s c o r el e v e ls h i f t s ；( i i i ) t h ep h y s i c a lo r i g i no fa p p a r e n t l ya n o m a l o u s b e h a v i o ro fc a t a l y s tm e t a la l l o yi nc a t a l y s i sp r o c e s s t h ed e t a i l e dw o r ka n dr e s u l t s l v a c h i e v e da r ea sf o l l o w s ： 1 w ep r e s e n ta n a t o m i s t i c i n s i g h t i n t ot h e j o i n t e f f e c to fs i z e a n d c o m p o s i t i o n - i n d u c e db a n d g a pc h a n g e0 fs e m i c o n d u c t i v en a n o c o m p o u n d s b a s e d0 n t h eb o l sc o r r e l a t i o nm e c h a n i s m a na n a l y t i c a l s o l u t i o nh a sb e e nd e v e l o p e dt o c o n n e c tt h eb a n d g a pe n e r g yw i t ht h eb o n d i n gi d e n t i t i e s ( b o n do f d e r ，b o n dl e n g t h ， b o n ds t r e n g t ha n db o n dn a t u r e ) o ft h en a n o c o m p o u n d s a g r e e m e n t b e t w e e nt h e m o d e l p r e d i c t i o n sw i t ht h ea v a i l a b l ee x p e r i m e n t a l m e a s u r e m e n t so fb a n d 。g a pc h a n g eo f i i v is e m i c o n d u c t o rn a n o c o m p o u n d ss h o w e dt h a t b o t ht h ep a r t i c l es i z e a n dt h e c o m p o s i t i o nc a nb eu s e d a sf a c t o r st u n i n gt h eb a n d g a pe n e r g y ，s u g g e s t l n g a n e f f e c t i v ew a vt or e a l i z et h ed e s i r a b l ep r o p e r t i e so fs e m i c o n d u c t i v en a n o c o m p o u n d s 2 w eh a v ea n a l y z e da t o m i c 1 a y e r a n dc r y s t a l o r i e n t a t i o n r e s o l v e db i n d i n g e n e r g vs h i f to ff c c ( r ha n dp d ) a n dh c p ( b ea n dr u ) m e t a lu s i n g t h em e t h o do f c o m b i n i n g t h eb o l sc o r r e l a t i o na l g o r i t h m w i t ht h e h i g h - r e s o l u t i o n x p s m e a s u r e m e n t s i th a st u f n e do u tw i t ht h ef o l l o w i n gi n f o r m a t i o n ：( i ) t h ee n e r g yl e v e i s o fa ni s o l a t e dr h ( 3 d 5 苍3 0 2 1 6 3e v ) ，p d ( 3 d 5 2 ：3 3 0 2 6 1e v ) ，b e ( 1 s ：1 0 6 4 0e v ) a n d r uf 3 d ：2 7 5 8 8 3e v ) a t o ma n dt h e i e s p e c t i v eb u l ks h i f t s ( 4 3 6 7 ，4 3 5 9 ，4 7 2 a n d 3 6 6 1e v ) ；( i i ) t h el a y e 卜a n do r i e n t a t i o n f e s o l v e de f f e c t i v ea t o m i cc 0 0 r d i n a t i o n ，l o c a l s t r a i n ，q u a n t u mt r a pd e p t h ，b i n d i n ge n e r g yd e n s i t ya n da t o m i cc o h e s i v ee n e r g y0 ft h e s u r f a c es u b l a y e r s ；( i i i ) t h ep h y s i c a io r i g i nf o ft h es u r f a c ei n d u c e dp o s i t i v ec o r el e v e l s h i f t i th a sb e e nc l a r i f i e dt h a tt h eb i n d i n ge n e r g ys h i f ta r i s e sf t o mt h ep e r t u r b a t i o nl n t h eh a m i l t o n i a nb yt h es h o r t e ra n ds t r o n g e rb o n d sb e t w e e nu n d e r - c o o r d l n a t e da t o m s a n dh e n c et h ef a s c i n a t i n gb e h a v i o ro fs u r f a c ee i e c t r o n s 3 t h ee x t r e m e l y - h i g hc a t a l y t i ce f f i c i e n c yo fu n d e r c o o r d i n a t e dm e t a la d a t o m s i si n d e e df a s c i n a i n gb u ti t se l e c t r o n i co r i g i nr e m a i n sy e tp u z z l i n g i n c o r p o r a t i n g t h e b o l sc o 盯e l a t i o nt h e o r yi n t ot h eh i g h r e s o l u t i o nx p s m e a s u r e m e n t sh a sa f f i r m e dt h e b o l se x p e c t a t i o n st h a tt h eb r o k e nb o n d si n d u c el o c a ls t r a i na n dq u a n t u mt r a p p l n g l n a d d i t i o nt op o l a r i z a t i o no ft h eo t h e m i s cc o n d u c t i v ch a l f - f i l l e d s - s h e l lc h a f g eb yt h e t i g h t l y a n dd e n s e l y t f a p p e di n n e re l e c t r o n so ft h e a d a t o m s b o t ht h et r a p p e da n d p o l a r i z e ds t a t e sw o u l db ed e t e c t a b i e f r o mt h ed e n s i t y o f s t a t e s e v o l u t i o no tt h e v a l e n c ea n dt h ec o r eb a n d s t h et r a p p e ds t a t e sh a v eb e e nd i s c o v e r e d a tt h eb o t t o m e d g e so fp t ( 5 d 1 0 6 s o ) 4 f 7 2a n dr h ( 4 d 8 5 s 1 ) 3 d 5 2b a n d sa n dt h ep o l a r i z e ds t a t e so n l y p r e s e n ta t t h eu p p e re d g eo fr h ( 4 d 8 5 s 1 ) 3 d 5 ，2 i ti s s u g g e s t e dt h a t t h eq u a n t u m t r a p p i n gw i l li n c r e a s et h ee l e c t r o a f f i n i t ya n d t h ep o l a r i z a t i o nd oo p p o s i t e l y t h e r e f o r e ， t h er ha d a t o mm a vs e r v ea sad o n o ra n dt h ep ta d a t o ma sa na c c e p t o ri nt h ep r o c e s s o 士 c a t a i v t i cr e a c t i o n v 4 a n a l y s i so f t h e2 p 3 ，2c o t e 1 e v e ls h i f to ff es u r f a c c 锄dn a n o p a r t i c i e sb a s e d o n t h eb o l sc o r f e l a t i o nh a st u r n e d0 u tt h a tt h ef e2 p 3 2e n e r g ys h i f t sp o s i t i v e l yb y2 1 7 e vf r o mt h ca t o m i cv a l u eo f7 0 4 5 2e vt ot h eb u l ko f7 0 6 6 9e va n dt h a taf u r t h e r 0 3 2a n d0 1 6e vs h i f to c c u r s ，r e s p e c t i v e l y ，t ot h et o pa n dt h es e c o n da t o m l cl a y e r s c o n s i s t e n c yb e t w e e nt h e o r y a n de x p e i i m e n t sc l a r i f i e s t h ed o m i n a n c e0 ft h e b r o k e n b o n d i n d u c e dl o c a ls t r a i na n dq u a n t u mt r a p p i n gi np e r t u r b i n g t h eh a m i l t o n i a n a n dh e n c et h eo b s e r v e df e2 p 3 ，2e n e r g ys h i f t s 5 a g p da n dc u p da l l o y sa r ei m p o r t a n tc a t a l y s t st h a tp e r f o r mv e r yd i f f e r e n t l y w i t hp h y s i c a lo r i g i n sb e i n g s t i l lu n d e t e r m i n e d u s i n gx 。r a yp h o t o e l e c t r o n s p e c t r o s c o p yw ee x a m i n e dt h ed e n s i t y o f - s t a t e se v o l u t i o no ft h ev a l e n c ea n dt h ec u 2 p ，a g3 d ，a n dp d3 dc o r eb a n d sd u r i n gt h ea l l o y i n gp r o c e s so fu l t r a t h i nc ua n da g f i l m sd e p o s i t e ds e p a r a t e l yo np ds u b s t r a t e s w ef o u n dt h a tt h ev a l e n c ea n dt h ec o r e e l e c t r o n so ft h ec u p da l l o ys h i f tp o s i t i v e l y ，o p p o s i t et 0t h eo c c u r r e n c e si nt h ea g p d a l l o vc a t a l y s t t h i sf i n d i n gm a yd i s t i n g u i s ht h ec u p df f o mt h ea g p di nt h ec a t a l y t i c r e a c t i o n s ，i n d i c a t i n gt h a tc u p ds e r v e sa sa na c c e p t o rd u e t oq u a n t u mt r a p p l n ga n dt n e a g p da sad o n o r b e c a u s eo fc h a r g ep o l a r i z a t i o n t h ec o n s i s t e n c yo ft h e o r e t i c a ls t u d ya n de x p e r i m e n t a lo b s e r v a t i o n sc o n f i f m st h a t t h es h o r t e ra n ds t r o n g e rb o n d sb e t w e e nu n d e r c o o r d i n a t e da t o m si n d u c el o c a ls t r a l n a n dt h es k i n d e p t hc h a r g ea n de n e r g yq u a n t u mt r a p p i n g ，a n dh e n c ed i c t a t eg l o b a l l y t h eb a n dg a pb l u e s h i f ta n dp o s i t i v e c o r el e v e ls h i f t c u r r e n tp r o g r e s si nb o l s c o f r e l a t i o nm e c h a n i s ma n di t sc o m b i n a t i o no fx p sm e a s u r e m e n t sc a ne x t r a c t s o m e q u a n t i t a t i v ea t o m i ci n f o r m a t i o nf f o mx p ss p e c t r u m ，w h i c hi sb e y o n d t h es c o p eo ft h e c o n v e n t i o n a la p p r o a c h e s i t p r o v i d e s an e ww a yt os t u d yt h eb a n ds t r u c t u r e o f l o w d i m e n s i o n a ln a n o m a t e f i a i sa n dp r e d i c t t h et r e n d b yc o n s i d e r i n g t h eb o n d i d e n t i t i e sv a r i a t i o n ， a s s o c i a t e de n e r g e t i cr e s p o n s e o fc o r r e s p o n d l n ga t o m sa n d e l e c t r o n s ，a n dt h ec o n s e q u e n c e so nt h em e a s u i a b l eq u a n t i t i e s 。i tc o u i dp a v ea p a t ht o b r i d g et h ec l a s s i c a la p p r o a c hi nm a c r o s c o p i cs y s t e ma n dt h e q u a n t u ma p p r o a c hl n a t o m i cl e v e l k e yw o r d s ：l o w d i m e n s i o n a ln a n o m a t e r i a l s ；b o n do r d e r l e n g t h - s t f e n g t h c o f r e l a t i o n m e c h a n i s m ； q u a n t u mt r a p p i n g ；e l e c t r o np o l a r i z a t i o n ； t h em e t h o do fb o l sa n dx p s c o m b i n a t i o n 博l ：学位论文 插图索引 图2 1 原子能级扩展成能带示意图7 图2 2 一维周期场8 图2 3 近自由电子近似能带示意图9 图2 4 键收缩因子与c n 的关系示意图1 2 图2 5 纳米固体势阱模型示意图j 1 3 图2 6 量子点比表面积示意图1 3 图2 7 低配位数引起的势阱深度变化1 4 图2 8x p s 光电过程中的能量关系示意图1 8 图2 9 化学位移( c s ) 示意图1 9 图2 1 0b o l s 与x p s 谱结合的分谱示意图2 1 图3 1 半导体块体复合材料的禁带宽度与组分的依赖关系2 6 图3 2 比较了尺寸恒定时纳米点禁带宽度与组分的理论预测与实验数据。2 7 图3 3 比较了纳米线禁带宽度与组分依赖性的理论预测与实验数据2 8 图3 4 纳米颗粒禁带宽度的尺寸依赖关系2 9 图3 5 半导体纳米复合材料z 毗c d j 吖s e 禁带宽度与尺寸和组分的三维示意图3 0 图4 1 ( 1 1 1 ) 、( 1 0 0 ) 和( 1 1 0 ) 面p d3 d 5 2 谱的解谱图3 7 图4 2 ( 1 1 1 ) 、( 1 0 0 ) 和( 1 1 0 ) 面r h3 d 5 ，2 谱的解谱图3 8 图4 3h c p 结构( 1 0 t 0 ) 、( 0 0 0 1 ) 和( 1 1 至0 ) 面示意图4 1 图4 4b e ( 1 0 i o ) 、( o 0 0 1 ) 和( 1 1 互0 ) 表面1 s 谱的解谱图4 2 图4 5 相关物理量随c n 变化的b o l s 理论预测趋势4 3 图4 。6r u ( 1 0 i 0 ) 和( 0 0 0 1 ) 表面3 d 5 2 谱的解谱图。4 4 图4 7 相关物理量随c n 变化的b o l s 理论预测趋势4 5 图4 8 吸附表面原子的x p s 谱和吸附表面与理想表面原子的x p s 差谱图4 9 图4 9 理想表面( a ) p t ( 1 1 1 ) 和( b ) r h ( 1 0 0 ) x p s 解谱图5 0 图4 1 0 不同厚度f e 薄膜的2 p 3 ，2 解谱图5 3 图4 1 1 比较丝，随k 变化的理论趋势和实验数据5 5 图5 1 量子束缚引起的合金界面处能级偏移示意图5 8 图5 2 纯a g 、c u 和p d 的约化态密度示意图5 8 图5 3 合金组成元素的平均值以及差谱图5 9 图5 4 不同退火温度下c u p d 合金和a g p d 合金的内层能级演变示意图6 2 博十学位论文 附表索引 表2 1 角量子数的标识符1 6 表2 2 量子数谱学家标识法和x p s 标识法。1 7 表3 1 半导体块体材料相关参数2 5 表4 1 ( 1 1 1 ) 、( 1 0 0 ) 和( 1 1 0 ) 面分离峰谱 卜和b ) 的相关参数3 9 表4 2b e ( 1 0 i 0 ) 、( 0 0 0 1 ) 和( 1 1 乏0 ) 面各成分峰谱的相关参数4 0 表4 3r u ( 1 0 t 0 ) 和( 0 0 0 1 ) 面各成分峰谱的相关参数4 6 表4 4p t ( 1 1 1 ) 和r h ( 1 0 0 ) 表面吸附的各成分峰谱的相关参数5 1 表4 5 用s d 、s 1 、s 2 和b 表示的四个高斯分解谱峰的相关参数列表5 4 表4 6c 为b e 相对于符1 的线性拟合斜率。5 4 表5 1 温度变化时c u p d 和a g p d 合金的相关参数6 0 表5 2c u p d 和a g p d 合金界面处的相关参数6 0 x 博十学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 纳米级结构材料简称为纳米材料( n a n o m a t e r i a l s ) ，指三维空间中至少有一维处 于纳米尺度范围( 1 1 0 0 n m ) 或由它们为基本单元构成的各种固体超细材料，它介于 原子、分子和宏观体系之间的过渡领域。按维数，纳米材料分可分为三类： ( 1 ) 零维，指在三维空间尺度均受纳米尺度限制，如原子团簇、纳米微球、 纳米尺度微粒等； ( 2 ) 维，指在三维空间有两维受纳米尺度限制，如纳米线、纳米丝、纳米 管、纳米棒、纳米带等； ( 3 ) 二维，指在三维空间有一维受纳米尺度限制，如纳米涂层、超薄膜、多 层膜、超晶格等。 从1 9 世纪6 0 年代胶体化学诞生开始，人们就对粒径为1 1 0 0 n m 的离散粒子进 行了研究。将尺寸为1 1 0 0 n m 的离散粒子称为胶体，尺寸小于1 n m ，由约1 0 0 个 原子组成的粒子称为原子团簇1 1 1 。直到1 9 5 9 年1 2 月2 9 日，著名物理学家、诺贝尔 获得者加州理工学院教授查得费曼1 2 1 ( r i c h a r df e y n m a n ) 在美国物理学会的年会 上提出了纳米科学和纳米技术问题，做出了按人类意愿任意地操纵单个原子与分 子的设想。这种思想打破了人类长期以来遵循的“自上而下( u p - b o t t o m ) 制造模 式而转化为“自下而上( b o t t o m u p ) ”的模式。自此，人们对这一类处于纳米尺度 范围的物质产生了浓厚兴趣，掀起了探索这一陌生领域的热潮。随后，u y e d a 等 人用气体蒸发冷凝法制备金属纳米粒子，并对单个金属微粒的形貌和晶体结构进 行了电镜和电子衍射研究。1 9 7 4 年日本学者t a n i g u c h i 提出了“n a n o t e c h n o l o g y ”一 词，使科学界对纳米技术的概念有了更深的认识。1 9 8 4 年德国科学家g l e i t e r 等【3 1 最先采用惰性气体凝聚法成功制备了具有清洁表面的铁纳米材料，在真空下原位 加压成纳米固体材料。到1 9 9 2 年9 月，第一届国际纳米材料上，研究者正式把纳米 材料作为材料科学的一个新分支。低维纳米材料能够如此快速发展得益于超薄层 材料生长技术( 分子束外延( m o l e c u l a r b e a me x p i t a x y ，简称为m b e ) 、金属有机物化 学气相沉积( m e t a lo r g a n i cc h e m i c a l v a p o rd e p o s i t i o n ，简称为m o c v d ) 等) 和超精细 加工技术( 电子束、聚焦离子束、光刻技术等) 的进步、低维结构物理研究的深入 开展以及纳米尺度表征技术( 扫描隧道显微镜( s c a n n i n gt u n n e l i n gm i c r o s c o p e ，简称 为s t m ) ，原子力显微镜( a t o