電子顯微技術在納米金屬材料研究中的應用

馮 柳

（山東理工大學分析測試中心，山東 淄博 255000）

對納米材料的研究最早始于20世紀80年代，人們逐漸在研究中發現納米材料的獨特優勢，如宏觀量子隧道效應、表面效應等。科學技術的進步和發展導致人們對金屬材料的開發與應用提出更高層次的要求，科研人員不斷對金屬材料進行改善創新。利用納米技術可以提升金屬材料的力學性能及功能特性，金屬材料中微小的成分組織都能通過納米技術進行調控。運用電子顯微技術對納米金屬材料進行分析研究，對新材料的發展有巨大的推動作用，所獲取的研究成果對社會經濟進步產生有利影響。

1 電子顯微技術

1.1 電子顯微技術概念

電子顯微技術是以電子顯微鏡為研究手段來分析材料的一種技術。電子顯微鏡擁有高于光學顯微鏡的分辨率，可以放大幾十倍到幾十萬倍的范圍，在實驗研究中具有不可替代的意義，推動了眾多領域研究的進程。電子顯微技術的光源為電子束，通過磁場聚焦成像或者靜電場的分析技術才達成高分辨率的效果、利用電子顯微鏡可以得到聚焦清晰的圖像，有利于研究人員對于實驗結果進行觀察分析。實驗需要進行觀察、測量、記錄、分析等多項步驟，電子顯微技術的作用可以貫穿整個實驗過程，所以電子顯微鏡的重要性不言而喻。

1.2 我國電子顯微技術在材料研究的發展歷程

我國過去主要應用電子顯微技術進行材料的檢驗和研制等工作，有效促進了科研的發展，并且培養了一批專業技術人才。隨著電子顯微鏡技術在材料應用的水平不斷提高，我國各項研究工作也順利展開，極大程度上推動了整個社會的發展進程，也提高了人民的生活質量。我國的部分院校和研究院所等組織部門進行合作研究，積極開發電子顯微技術的研究應用領域，至目前為止也取得了較為滿意的成果。研究院所時常和工廠合作互助，利用電子顯微技術解決生產技術難題，提升產品的工藝水平與質量；研究院所獲得相應的經濟支持用以推動電子顯微技術的持續發展。雖然到現在電子顯微技術已經擁有了較為顯著的成果，但電子顯微技術仍有很大的研發空間，需要專業人員不斷進行探索實踐，挖掘出電子顯微技術在材料尤其是納米尺度材料研發方面的發展潛力。在國家投入大量科研經費的支持下，經過專業科研人員多年的不懈努力，電子顯微鏡應用技術的研究已取得了一個良好的開端，并取得很大的進步。新時期信息技術的發展推動了電子顯微技術的進步，電子顯微技術也推動了其他科研項目實驗研究的進展。

2 納米金屬材料特性

2.1 納米金屬結構材料特性

納米金屬結構材料由尺寸范圍幾納米至一百納米之內的金屬顆粒與顆粒間的分界面組成，可以根據以下三種結構模型理解納米結構材料的一些現象[2]。

（1）界面可變模型。納米金屬結構材料因顆粒（晶粒）為納米級，所以擁有很多界面，界面之間所存在的能量會產生很大的不同。因為能量受到界面原子間距、排列、配位數等多方面的影響，會因它們的變化而產生變化。對于納米結構材料而言，晶格常數的改變會帶來表面平移周期的改變，甚至會對表面平移周期產生破壞。此類的復雜表面狀態與相互作用使得納米金屬材料擁有獨特的磁性、電性與光學性能。

（2）界面缺陷模型。納米粒子的體積非常小，當界面組分改變時，晶界處原子排列有序度也會隨之變化，造成界面中含有較多的缺陷。結構缺陷會對材料的超塑性、強度等方面造成很大的影響。

（3）類氣態模型。原子在納米金屬結構材料界面上進行排列時是無序的，并未根據一定的規律排序，如氣態一般進行無序分布。但專業研究人員對納米材料微觀結構的研究逐漸深入之后發現，納米結構材料并不是完全處于無序狀態，屬于無序與有序結合的結構。

2.2 納米金屬顆粒特性

（1）體積效應。因金屬顆粒處于納米級別，所包含的原子很少，相應的體積也小，所以其物理性能與整體材料的性能不同，此現象稱為體積效應。比如納米金屬顆粒的導電性小于相同成分塊狀金屬的導電性，這是因為納米金屬顆粒整體振動和內部晶格振動致使粒子間的電子自由程比完整大塊導體的偏低。體積效應還會引起大部分金屬納米粒子的熔點降低，但少部分納米金屬顆粒如鉛、鋁等顆粒的超導變化升高溫度等。

（2）幻數結構。原子簇指粒徑小于2納米的納米粒子，當這些粒徑小于2納米的納米粒子中含有一些原子數目之時，這些納米粒子的狀態會變得極其穩定。能夠讓納米粒子狀態變穩定的原子數目被叫做幻數，此結構稱為幻數結構。

（3）表面效應。當納米粒子的尺寸變小時，納米粒子的表面積會隨之增大，納米粒子表面原子的活性也會上升，這一系列變化會導致金屬納米粒子在空氣之中容易產生聚集或相互吸引抱團的現象，甚至可能產生自燃。因為納米金屬顆粒具有明顯的表面效應，納米金屬粒子存在顯著的晶格收縮效應，晶格常數的降低會導致納米粒子表層原子的輸送與構型的不同。

（4）宏觀量子隧道效應。隧道效應在納米材料研究中指微觀粒子貫穿勢壘的能力。納米金屬粒子的特性中也包括隧道效應，通常也被稱作宏觀量子隧道效應。

（5）量子尺寸效應。德布洛意波長是納米材料實驗研究中常用作比對的一個參數，當納米金屬粒子的尺寸與之相當的時候，納米粒子的電子會在一定程度上受到限制，導致電子能帶結構與塊狀金屬間產生很大的變化，也就是出現量子尺寸效應。

3 電子顯微技術在納米金屬材料研究中應用

3.1 掃描隧道顯微鏡技術

掃描隧道顯微鏡簡稱為STM，通過STM能夠實現操作控制單個原子，在進行納米金屬材料的研究中起到了重大的作用。英文名稱為Scanning Tunneling Microscope，屬于顯微鏡中擁有較高分辨率的一種，有著獨特的優勢，能夠借助隧道電流研究納米金屬粒子的表面形貌及表面電子結構。STM可以觀察表面具有的原子丘、平臺、臺階、孔洞等結構缺陷，與此同時，STM還能觀察研究納米金屬材料表面的原子和電子的結構，也可以通過觀察材料的微觀三維圖像測量表面起伏的高度，此技術滿足了人們追求直接對原子進行觀察的欲望。STM在成像之時不會對樣品產生破壞性，進行實驗時減少對環境的限制。STM也具有很強的適用性，是技術人員進行納米金屬材料研究的重要工具。

3.2 掃描電子顯微技術

掃描電子顯微技術發明于1965年，縮寫為SEM，可以用于對納米材料進行微觀形貌分析、粒度分析等，應用范圍較為廣泛。SEM的分辨率范圍能夠控制在1nm左右，可直接觀察出微米或者亞微米的外觀形狀。SEM也在不斷開展研究，目前主要有低壓SEM、環境SEM、分析型SEM、場發射SEM等。如果配備X射線能譜儀裝置，能夠同時對微區成分進行分析，并對顯微組織的形貌進行觀察，是一種適用范圍較廣的科學研究儀器。目前掃描電子顯微術的一大發展趨勢就是進行SEM與其他設備的聯用技術的研究。

3.3 原子力顯微鏡

原子力顯微鏡的英文名為Atomic Force Microscopy，縮寫AFM。雖然AFM有著和STM相似的工作原理，但AFM具有著自己獨特的優勢。AFM對于樣品的要求也較低，所以AFM的應用范圍也較為寬廣。在進行納米金屬材料研究中，AFM能夠分析納米金屬材料的表面形貌，AFM可以同其他設備如STM、TEM等相結合進行納米金屬粒子的研究。

3.4 透射電子顯微技術

透射電子顯微技術是對材料進行微觀結構研究的主要儀器之一，能夠對納米粒子的分布狀態、微觀形貌及晶體結構進行觀察研究。研究人員使用透射電鏡配合能譜儀（EDS）等技術可以同時對納米材料的晶體結構和材料內部元素的分布狀態實現高效率的表征。另外，透射電鏡還可以精確測量納米材料的粒度分布和尺寸，使用透射電子顯微鏡技術測試金屬材料內部的納米粒子，有著較高的精確性。另外，原位分析技術在TEM系統中應用已經取得了突破性的進展，比如TEM中通入一定的氣氛、液相或升高一定溫度，可以實時、高分辨觀察研究材料的微觀形貌及結構地變化。

3.5 其他電子顯微技術

除了以上簡述的四種方法，還有其它的電子顯微技術可以應用于納米金屬材料的研究當中，如場離子顯微鏡（FIM），可以在固體的表面研究中占據一定的地位，該電子顯微技術能夠擁有原子級的高分辨率，可以分析不同原子的分布狀態，并時常結合X射線衍射、光譜分析和熱分析等技術進行實驗研究。在目前的研究階段，進行納米金屬材料分析時主要使用AFM、SEM、TEM、STM這四種電子顯微技術。各種電子顯微技術都有著自己獨特的優點和劣勢，根據研究內容、實驗參數等不同影響因素選擇最合適的電子顯微技術是實驗研究順利開展的前提，對材料的研究能夠起到促進作用，可以快速獲取有益的實驗成果。所以，深入了解各類電子顯微技術的特點和適用范圍，有效選擇一種或多種顯微分析技術，有利于更好地開展對納米金屬材料的研究，比如團簇類材料僅有幾個原子的顆粒度，可以使用AFM和STM這兩類電子顯微技術結合分析、納米晶結構材料可以選用SEM和TEM結合研究。

4 總結

納米材料的不斷研究既是科技水平迅猛發展的體現，也是時代發展的需要。新材料的發展最終會作用于人們的生活中，為人們的生活帶來了極大便利。納米金屬材料因其尺寸只有幾個到幾十個納米，所引起的特殊效應和不同類型的缺陷需要較高分辨率的儀器來分析，所以對此類材料的探索研究在目前仍處于初期階段，為了更好地發展納米金屬材料，需要進一步結合電子顯微術，以對納米金屬材料進行更加深入的研究。我國一直堅持對金屬材料進行研究，隨著現代科技的發展，對于納米金屬材料的研究也一定會取得優異的研究成果。利用電子顯微技術對納米金屬材料的顆粒或晶粒進行深入研究，揭示納米金屬材料的微觀信息與的宏觀效應與特性的關系，有利于開發新的材料。