專利名稱：一種無損測量納米顆粒應(yīng)力狀態(tài)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于x射線測量領(lǐng)域，涉及一種可以測量納米顆粒應(yīng)力狀態(tài)的新方法。
背景技術(shù)：
摻有金屬納米顆粒的復(fù)合材料中基質(zhì)將納米顆粒彼此隔離開，形成量子點。 當(dāng)納米顆粒的尺寸與電子的德布羅意波長、相干波長及激子波爾半徑可比擬時， 將引起量子尺寸效應(yīng)。同時，當(dāng)納米顆粒的尺寸遠(yuǎn)小于光場波長時，作用于納米 顆粒上的電場明顯不同于周圍介質(zhì)的宏觀場，極化過程改變了局域的介電常數(shù)， 產(chǎn)生介電限域效應(yīng)，產(chǎn)生局域場增強(qiáng)，引起較大的三階非線性光學(xué)效應(yīng)，這類材 料在光傳輸、光存儲和全光開關(guān)等領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用價值。制備納米顆粒復(fù)合材 料的方法包括熔融法、離子交換法、離子注入法、溶膠一凝膠法、還原氣氛處理法、離子或激光輻射法和共濺射法。在制備的過程中，存在一個問題在納米顆 粒生長初期，其在基質(zhì)中的成核是無序、不均勻的，所以其密度和空間有序性難以控制，要想實現(xiàn)量子器件的實用化，就必須控制納米顆粒在玻璃中的成核生長 過程，以便控制納米顆粒的尺寸和其在基質(zhì)的分布情況。因此，必須搞清楚納米 顆粒在基質(zhì)中形成過程中所受到的應(yīng)力分布情況，實現(xiàn)納米顆粒在基質(zhì)中的有序 和可控生長。此外，應(yīng)力應(yīng)變的存在會影響納米顆粒的電子結(jié)構(gòu)，最終影響到復(fù) 合材料的光學(xué)性能。因此，測量納米顆粒在基質(zhì)所受到的應(yīng)力勢在必行。但是，目前還沒有一種能夠分析測量基質(zhì)中納米顆粒所受到應(yīng)力的方法。發(fā)明內(nèi)容針對現(xiàn)有技術(shù)中無法測量獲得納米顆粒應(yīng)力的缺點，本發(fā)明旨在提供一種無 損測量納米顆粒應(yīng)力狀態(tài)及大小的方法，以填補(bǔ)納米顆粒應(yīng)力測量的空白和滿足 量子器件實用化的需要。為達(dá)到上述的目的，本發(fā)明的解決方案是利用本發(fā)明所提及的X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜，測量介質(zhì)中納米顆粒的原子間 距離，比較納米顆粒中近鄰原子間距離與體材料中原子間距離的差別，得到晶格 膨脹系數(shù)，進(jìn)而通過公式計算納米顆粒表面的應(yīng)力<formula>formula see original document page 3</formula>
上式中P為納米顆粒的應(yīng)力、a為體材料的晶格常數(shù)、Aa為晶格收縮或晶格膨脹量、K為對應(yīng)體材料壓縮率，R為顆粒半徑，Ar二^一r， /1為納米顆粒原子間距，r為對應(yīng)體材料原子間距。本發(fā)明與其他的發(fā)明專利相比，具有以下的特點其它的專利測量的是體材 料的應(yīng)力，屬于宏觀的范圍本發(fā)明測量的是納米顆粒的應(yīng)力，屬子微觀的范圍， 這是第一個特點。第二個特點是本發(fā)明是間接的測量，通過測量納米顆粒原子間 距離，間接地測量納米顆粒在基質(zhì)中所受到的應(yīng)力大小，對待測樣品無損傷。本 發(fā)明為納米顆粒應(yīng)力的測量提供了 一種測量方法。


圖1是三種不同銀納米顆粒玻璃樣品的透射電鏡照片； 圖2 Ag體材料的K邊擴(kuò)展X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜及其對應(yīng)的Fourier轉(zhuǎn)換； 圖3樣品Agl的Ag K邊擴(kuò)展X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜及其對應(yīng)的Fourier轉(zhuǎn)換； 圖4樣品Ag2的Ag K邊擴(kuò)展X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜及其對應(yīng)的Fourier轉(zhuǎn)換； 圖5樣品Ag3的Ag K邊擴(kuò)展X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜及其對應(yīng)的Fourier轉(zhuǎn)換； 圖6三種不同銀納米顆粒玻璃樣品中最近鄰Ag-Ag原子間距離。
具體實施方式
以擴(kuò)展X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜EXAFS測量玻璃中銀納米顆粒的應(yīng)力為例1、 銀納米顆粒玻璃的制備利用離子交換法制備三個銀納米顆粒玻璃樣品， 分別為Agl、 Ag2、 Ag3，用Phillips CM200透射電鏡(TEM)觀察樣品Agl，Ag2 和Ag3中銀納米顆粒，直徑分別為7nm，4nm和2.8nm (見圖l)。2、 銀納米顆粒結(jié)構(gòu)的表征測量溫度范圍為12K-298K。用商用UWXAFS 3.0 程序包分析Ag K邊X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜。Ag K邊X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜收集在 德國漢堡同步輻射中心X1實驗站進(jìn)行。利用理論EXAFS方程計算Ag的理論相函 數(shù)和振幅函數(shù)，并用它們來擬合實驗得到的EXAFS共振譜x(k)和對應(yīng)的傅利葉變 換譜(Fourier transform-FT)。具體公式如下<formula>formula see original document page 4</formula>其中k為光電子波數(shù)；S、是振幅降低因子；Nj是第j層原子數(shù)目；Fj(k)是第j層原 子背散射振幅；Rj是第j層原子到中心原子之間的距離；2kRj代表發(fā)射波被j層原子 背散射回到起始點時的相漂移；(f)j(k)是中心原子的附加相漂移；Mk)是光電子的 平均自由程；cij2是第j層原子無序度因子，也被寫成C2。它包括兩部分:熱無序 和結(jié)構(gòu)無序。為了能有效地分析EXAFS譜，準(zhǔn)確地得出其結(jié)構(gòu)參數(shù)，上式被變換
成<formula>formula see original document page 5</formula>其中<22 = <(>11)2>為相鄰原子間距離的平方相對位移，又叫Debye-Waller因子， C3 = <(>11)3>為相鄰原子間距離的立方相對位移，描述了原子的非和諧振動導(dǎo)致 的鍵長非對稱性分布。R為同一配位層中的任意原子到中心原子之間的平均距 離，R=<r>。當(dāng)n^4時，Cn = 0 (n為正整數(shù))。EXAFS函數(shù)x(k)經(jīng)P加權(quán)后，采用Hanning窗口函數(shù)對配位層進(jìn)行匹配。 波數(shù)(k)匹配范圍為2-16A—i，原子間距離(R)匹配范圍為1.0-4.0 A。其中 配位距離R的最大誤差范圍為士0.006 A (298 K)，配位距離R的最小誤差范圍 為士O.OOl A (12K)。Ag體材料，樣品Agl Ag3的Ag K邊擴(kuò)展X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜及其對 應(yīng)的Fourier轉(zhuǎn)換見圖2 圖5。3、銀納米顆粒應(yīng)力的計算利用UWXAFS 3.0程序包分析Ag-Ag最近鄰 配位層原子間距離(見圖6)。隨著溫度升高，Ag-Ag原子間距離增大，即通常 所講的熱脹冷縮。12K時，Ag體材料的最近鄰Ag-Ag原子間距離為0.2878nm, 樣品Agl ，樣品Ag2和樣品Ag3中的最近鄰Ag-Ag原子間距離分別為0.2888nm， 0.2883nm和0.2879nm，大于Ag體材料的最近鄰Ag-Ag，表明玻璃中的銀納米 顆粒發(fā)生晶格膨脹，銀納米顆粒在玻璃中受到張應(yīng)力。對于玻璃中的銀納米顆 粒，其表面應(yīng)力為<formula>formula see original document page 5</formula>上式中P為納米顆粒的應(yīng)力、"為體材料的晶格常數(shù)、^為晶格收縮或晶 格膨脹量、K為對應(yīng)體材料壓縮率，為材料的特征常數(shù)，K=9.93xl(T12m2/N， R為 顆粒半徑，Ar二^-r， ^為納米顆粒原子間距，r為對應(yīng)體材料的原子間距。銀納米顆粒的晶格結(jié)構(gòu)為面心立方結(jié)構(gòu)，因此晶格常數(shù)變化值與晶格常數(shù)的比值 等同于最鄰近原子間距離的變化值與體材料最鄰近原子間距離的比值。由此，可 以計算出樣品Agl ，樣品Ag2和樣品Ag3中銀納米顆粒所受的張應(yīng)力分別為1.84 N/m， 5.25xlO"N/m， 7.35x10-2N/m。上述的對實施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用 本發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，并 把在此說明的一般原理應(yīng)用到其他實施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動。因此，本發(fā)明不限于這里的實施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，對于本發(fā)明做出 的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種無損測量納米顆粒應(yīng)力的方法，特征在于測量納米顆粒和對應(yīng)體材料的原子間距，可通過如下方法得出納米顆粒的應(yīng)力狀態(tài)和數(shù)值
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于測量原子結(jié)構(gòu)參數(shù)的方法為對 樣品結(jié)構(gòu)無損的測量方法，尤其是高能射線測量方法，優(yōu)選為X射線吸收精細(xì)結(jié) 構(gòu)譜。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于體材料的原子間距、納米顆粒 的原子間距和體材料壓縮率k、納米顆粒和對應(yīng)體材料的原子間距由X射線吸收 精細(xì)結(jié)構(gòu)譜分析得到，對于不同的體材料，^"為常數(shù)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述納米顆粒分散在基體材料 中，基體材料包括無定形玻璃、有機(jī)物、晶體材料。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述納米顆粒具有面心立方或 體心立方晶體結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種無損測量納米顆粒應(yīng)力狀態(tài)的新方法，屬于X射線測量領(lǐng)域。采用X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜測量包裹在介質(zhì)材料中的納米顆粒原子間距離，通過分析納米顆粒原子間距離的變化，可以計算得到納米顆粒的應(yīng)力狀態(tài)和大小。該方法與現(xiàn)有的應(yīng)力測量方法最根本不同之處是采用X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜這種無損檢測方法分析測量納米顆粒的應(yīng)力。該方法從根本上填補(bǔ)了納米顆粒應(yīng)力分析的空白，在分析納米顆粒的應(yīng)力狀態(tài)、控制納米顆粒的有序生長和量子器件的實用化方面有明顯的應(yīng)用價值。
文檔編號G01L1/25GK101118207SQ20061014758
公開日2008年2月6日 申請日期2006年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月20日
發(fā)明者杜天倫, 楊修春, 錢達(dá)興, 黃文旵 申請人:同濟(jì)大學(xué)