纳米材料的热学性质

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1、纳米材料的热学性质一、纳米晶体的熔化1＞几种熔化机制(描述纳米粒子的熔化过程)：(1)根据熔化一级相变的两相平衡理论可以得到，熔点变化与表界而熔化前后的能量差有关，也就是与小粒子所处的环境相关。对•同质粒子，自由态和镶嵌于不同基体中时，粒子熔点降低的规律将会不同。(2)如果把粒子的熔化分为两个阶段，如图7-5所示，粒子的表面或与异质相接触的界面区域首先发牛预熔化，完成表面的熔体形核，继而心部发生熔化,则粒子的熔化发生一个温度区间内。该理论建立在忽略环境条件的基础上，所以小粒子的实际熔点降低与所处环境无关。_(3)随粒子尺寸的减小，表界而的体积分数较大，而且表界

2、而处的原子振幅比心部原子的更大，均方根位移的增加引起界面过剩Gibbs自由能的增大会使小粒子的熔点降低。①8图7・5小粒了熔化过程示意图，液相层厚度川&表示O$642JIooooO6O1023opO■三°°3203223243263M330332334336338S40图7・4受约束铅纳米薄膜(a)和门由铅薄膜(b)中铅的特征X・射线衍射强度随温度的变化诸况原位X射线衍射测定的冷轧Pb/Al多层膜及轧制的自由铅薄膜样品的熔化行为，图中虚线为块体Pb平衡熔点。X射线衍射分析是测定晶体结构的重要手段，由于原子周期排列的晶体结构对X射线的散射会产生反映晶体结构的特征

3、衍射，而熔化后的液态金属原子排列无序，对X射线不会产生特征衍射.因此，熔化过程中X射线特征衍射只能由剩余的晶体部分产生，特征衍射强度将因晶体的熔化而显著降低.图7-4为可以看出，自由铅薄膜的四个特征衍射的强度到大约326°C开始急剧降低，并在329°CZ前均下降为零。Pb/Al多层膜样品屮铅膜的四个特征衍射的强度在326〜329°C也会降低，但并未降到零，而是在高于329°C不同的温度降低到零，其中的(111)衍射直到340°C才完全消失。这说明，Pb/Al多层膜样品中部分铅膜在达到334°C吋依然存在，其熔化温度超过了自rtl铅薄膜的熔化温度，夹在铝中的部分

4、铅薄膜出现了过热现象。纳米晶体的熔化2、纳米材料的过热意义：纳米材料熔点降低在很多情况下限制了其应用领域，人们经常希望捉高纳米材料热稳定性。例如，随着微电子器件的小型化，高集成度，金屈连接线的厚度和线宽已进入纳米尺度。根据摩尔定律可以知道，集成电路从诞生Z口起就以每年每平方英寸集成的晶体管翻一番的速度增长，而数据密度则以每十八个月翻一番的速度发展。纳米材料熔点降低对工艺线宽的降低极为不利。电子器件的使用中不可避免会带来温度的升高。纳米金属热稳定性的降低对器件的稳定工作和寿命将产牛不利影响并直接影响系统的安全性。同时，金属薄膜材料在现代信息工业和新技术中获得了广

5、泛应用，实现金属纳米薄膜的过热也非常重要。因此，提高纳米材料热稳定性成为急待解决的问题，而实现纳米材料过热是解决这一问题的可行途径。原因分析：导致金屈粒了熔点降低的本质原因是表面和内界面上具有未完全配位的悬空键，从而使界面的过剩体积增大，能量升高，降低了熔体形核的能垒。最近的实验结果表明金属粒子界面的Debye温度明显低于相应人块材料的平衡Debye温度，也进一步说明界面上原了和互作用力减弱，过剩体积增大，受热时更易于熔化。纳米晶体的熔化实验结果：人们尝试适当约束粒子的口由表面，以实现晶体的过热并使熔点升高。人们最先发现用Au包覆的Ag单晶粒了，可以过热24K

6、,并维持1分钟；用熔体急冷法获得均匀分布于A1基体中的纳米In粒了，原位电镜观察和热分析均发现部分In粒子可以过热，过热的In粒子与A1基体形成了外延取向关系，且过热度与粒子尺寸成反比；采用离子注入方法实现了Pb、In、T1注入Al中的过热；采用熔体激冷技术使纳米Ag粒子形成规则的多边体，并均匀分布镶嵌在Ni基体，并使Ag/Ni界面呈半共格低能界面，经热分析和原位XRD测试发现Ag纳米粒子(20nm)可大幅度过热，过热度达60°C,且随粒子的尺寸减小，过热度增大；在室温下将Ai•注入Al基体，Ai•可保持到730K,实现过热480K,Ai•与基体形成有附生关系

7、的fee结构纳米晶体。纳米颗粒/基体制备方法位向关系过热温度（K）Pb/Al甩带(lll)Al//(lll)Pb：[110]Al//[110]Pb103Pb/Al离子注入Cube/Cube70Pb/Cu甩带(lll)Cu//(lll)Pb：[110]Cu//[110]Pb125Pb/Zn甩带(0001)Zn//(lll)Pb：[1120]Zn//[110]Pb62Pb/Ni甩带(100)Ni//(100)Pb：[011]Ni//[011]Pb〜0In/AlCube/Cube48Cd/Al离子注入(lll)Al//(0001)Cd：[110]Al//[1120]

8、Cd19Tl/Al离了注入Cube/C