纳米固体材料的微观结构

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1、第八章纳米固体材料的微观结构姓名：孙玉龙老师：王成伟教授时间：2012.04.28主要内容8.9拉曼光谱8.10电子自旋共振的研究8.10.1基本概念8.10.2电子自旋共振研究纳米材料的实验结果8.11纳米材料结构中的缺陷8.11.1位错8.11.2三叉晶界8.11.3空位、空位团和孔洞8.12康普顿轮廓法8.12.1康普顿轮廓与电子动量密度分布的关系8.12.2实验装置和数据处理8.12.3纳米材料的康普顿轮廓8.9拉曼光谱当光照射到物质上时会发生非弹性散射，散射光中除有与激发光波长相同的弹性成分(瑞利散射)外，还有比激发光波波长的和短的成分，后一现象统称为拉曼(Ramm)效应。由分子振

2、动﹑固体中的光学声子等元激发与激发光相互作用产生的非弹性散射称为拉曼散射。拉曼散射与晶体的晶格振动密切相关，只有对一定的晶格振动模式才能引起拉曼散射。因此用拉曼散射谱可以研究固体中的各种元激发的状态。可以通过分析纳米材料和粗晶材料拉曼光谱的差别来研究纳米材料的结构和键态特征。下面我们以纳米TiO2作为例子详细地叙述一下拉曼光谱在研究纳米材料结构上的应用。应当指出的是，拉曼谱上的拉曼位移为元激发，例如声子的能量，它与相应的晶格振动频率相同。金红石结构的拉曼振动金红石属于四方晶系，每个晶胞中含有两个TiO2分子，属于空间群。共有18种振动自由度，除了声学模和非拉曼活性模外，中心对称晶格振动模式A

3、1g，B1g，B2g，Eg属于拉曼活性振动模。它们能引起一级拉曼散射。这些活性模的振动频率列于表8.6。锐钛矿的拉曼振动模式锐钛矿属于空间群，每个晶胞中含有两个TiO2分子，拉曼振动频率列于表8.7图8.26示出了不同温度烧结纳米TiO2块体的拉曼谱．关于纳米TiO2与常规TiO2在拉曼谱上表现的差异有两种解释：一是颗粒度的影响；二是氧缺位的影响。Parker认为，氧缺位是影响纳米TiO2拉曼谱的根本原因。他们首先将样品在Ar气中经过不同温度烧结，晶粒度变长，对应的拉曼谱线不发生任何移动。而在氧气中进行烧结，谱线明显移动。其次，他们还在10-4Pa的真空炉中烧结样品，使TiO2→TiO2-x

4、，这是可以看到拉曼谱线像开始位置移动，从这两个实验事实可以看到：TiO2拉曼线与晶粒度无关，氧缺位是引起TiO2拉曼线移的主要原因。当纳米材料颗粒尺寸减小到某一临界尺寸其界面组元所占的体积百分数与颗粒组元相比拟时，界面对拉曼谱的贡献会导致新的拉曼峰出现。图8.27不同热处理的纳米SnO2块体和粗晶试样的拉曼谱曲线。1~7为纳米试样，1—未热处理；2—473K/873h；3—673K/6h；4—873K/6h;5—1073K/6h;6—1323K/6h;7—1623K/6h;8—粗晶未处理试样。8.10电子自旋共振的研究电子自旋能级在外加静磁场H作用下会发生塞曼分裂，如果在垂直于磁场的方向加一

5、交变磁场，当它的频率满足hע等于塞曼能级分裂间距时，处于低能态的电子就会吸收交变磁场的能量跃迁到高能态，原来处于高能态的电子，也可以在交变磁场的诱导下跃迁到低能态，这就是电子自旋共振(ESR)。由于在热平衡下，处于低能态的电子数多于处于高能态的电子数，所以会发生对交变磁场能量的净的吸收。观察到ESR吸收所用的交变磁场的频率通常在微波波段。利用ESR的测量可以了解纳米材料的顺磁中心，未成键电子以及键的性质和键的组态。如何用ESR谱的参数研究纳米材料的微结构，首先需要找出ESR的参数的变化和纳米材料微结构之间的关系。在具体叙述用ESR谱研究纳米材料之前我们先详细介绍一下ESR谱诸参数的基本概念和

6、物理意义。8.10.1基本概念(1)磁矩，g因子:电子自旋磁矩µs=2βS，轨道磁矩µl=βL,β是玻尔磁子，S是电子自旋角动量算符，L是轨道角动量。g因子是磁矩与角动量的比，单位用无量纲的玻尔磁子表示。一般来说，g因子直接反映了被测量子对象所包含的自由电子或者未成键电子的状态。对一个复杂的体系，通常实验上测得的g因子是一个平均值，它是多个g因子的张量叠加，因此实验上通常经过线形的分析把一个复杂的ESR信号分解为若干个信号，每一个信号将对应一个特定的g因子，以便对一个复杂体系的微结构进行了解。从g因子的变化也可以来理解纳米微粒或纳米材料结构的特征。(2)自旋哈密顿量H：自旋哈密顿量决定了ES

7、R信号的强弱。8.10.2电子自旋共振研究纳米材料的实验结果纳米非晶氮化硅键结构的ESR研究结果如下：电子自旋共振对未成键价电子十分敏感，悬键即为存在未成键电子的结构，因而利用ESR谱可以清楚地了解悬键的结构。一般认为，如果存在单一类型的悬键，ESR信号是对称的。如果出现不对称时，可以肯定存在几种类型的悬键结构，是这几种ESR信号的叠加。对常规晶态Si3N4的ESR信号如图8.28所示。由图可看出，ESR信号