一种无损测量纳米颗粒应力状态的方法技术

本发明专利技术涉及一种无损测量纳米颗粒应力状态的新方法，属于Ｘ射线测量领域。采用Ｘ射线吸收精细结构谱测量包裹在介质材料中的纳米颗粒原子间距离，通过分析纳米颗粒原子间距离的变化，可以计算得到纳米颗粒的应力状态和大小。该方法与现有的应力测量方法最根本不同之处是采用Ｘ射线吸收精细结构谱这种无损检测方法分析测量纳米颗粒的应力。该方法从根本上填补了纳米颗粒应力分析的空白，在分析纳米颗粒的应力状态、控制纳米颗粒的有序生长和量子器件的实用化方面有明显的应用价值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于x射线测量领域，涉及一种可以测量纳米颗粒应力状态的新方法。
技术介绍
掺有金属纳米颗粒的复合材料中基质将纳米颗粒彼此隔离开，形成量子点。 当纳米颗粒的尺寸与电子的德布罗意波长、相干波长及激子波尔半径可比拟时， 将引起量子尺寸效应。同时，当纳米颗粒的尺寸远小于光场波长时，作用于纳米 颗粒上的电场明显不同于周围介质的宏观场，极化过程改变了局域的介电常数， 产生介电限域效应，产生局域场增强，引起较大的三阶非线性光学效应，这类材 料在光传输、光存储和全光开关等领域有潜在的应用价值。制备纳米颗粒复合材 料的方法包括熔融法、离子交换法、离子注入法、溶胶一凝胶法、还原气氛处理法、离子或激光辐射法和共溅射法。在制备的过程中，存在一个问题在纳米颗 粒生长初期，其在基质中的成核是无序、不均匀的，所以其密度和空间有序性难以控制，要想实现量子器件的实用化，就必须控制纳米颗粒在玻璃中的成核生长 过程，以便控制纳米颗粒的尺寸和其在基质的分布情况。因此，必须搞清楚纳米 颗粒在基质中形成过程中所受到的应力分布情况，实现纳米颗粒在基质中的有序 和可控生长。此外，应力应变的存在会影响纳米颗粒的电子结构，最终影响到复 合材料的光学性能。因此，测量纳米颗粒在基质所受到的应力势在必行。但是，目前还没有一种能够分析测量基质中纳米颗粒所受到应力的方法。
技术实现思路
针对现有技术中无法测量获得纳米颗粒应力的缺点，本专利技术旨在提供一种无 损测量纳米颗粒应力状态及大小的方法，以填补纳米颗粒应力测量的空白和满足 量子器件实用化的需要。为达到上述的目的，本专利技术的解决方案是利用本专利技术所提及的X射线吸收精细结构谱，测量介质中纳米颗粒的原子间 距离，比较纳米颗粒中近邻原子间距离与体材料中原子间距离的差别，得到晶格 膨胀系数，进而通过公式计算纳米颗粒表面的应力<formula>formula see original document page 3</formula>上式中P为纳米颗粒的应力、a为体材料的晶格常数、Aa为晶格收缩或晶格膨胀量、K为对应体材料压縮率，R为颗粒半径，Ar二^一r， /1为纳米颗粒原子间距，r为对应体材料原子间距。本专利技术与其他的专利技术专利相比，具有以下的特点其它的专利测量的是体材 料的应力，属于宏观的范围本专利技术测量的是纳米颗粒的应力，属子微观的范围， 这是第一个特点。第二个特点是本专利技术是间接的测量，通过测量纳米颗粒原子间 距离，间接地测量纳米颗粒在基质中所受到的应力大小，对待测样品无损伤。本 专利技术为纳米颗粒应力的测量提供了 一种测量方法。附图说明图1是三种不同银纳米颗粒玻璃样品的透射电镜照片； 图2 Ag体材料的K边扩展X射线吸收精细结构谱及其对应的Fourier转换； 图3样品Agl的Ag K边扩展X射线吸收精细结构谱及其对应的Fourier转换； 图4样品Ag2的Ag K边扩展X射线吸收精细结构谱及其对应的Fourier转换； 图5样品Ag3的Ag K边扩展X射线吸收精细结构谱及其对应的Fourier转换； 图6三种不同银纳米颗粒玻璃样品中最近邻Ag-Ag原子间距离。具体实施方式以扩展X射线吸收精细结构谱EXAFS测量玻璃中银纳米颗粒的应力为例1、 银纳米颗粒玻璃的制备利用离子交换法制备三个银纳米颗粒玻璃样品， 分别为Agl、 Ag2、 Ag3，用Phillips CM200透射电镜(TEM)观察样品Agl，Ag2 和Ag3中银纳米颗粒，直径分别为7nm，4nm和2.8nm (见图l)。2、 银纳米颗粒结构的表征测量温度范围为12K-298K。用商用UWXAFS 3.0 程序包分析Ag K边X射线吸收精细结构谱。Ag K边X射线吸收精细结构谱收集在 德国汉堡同步辐射中心X1实验站进行。利用理论EXAFS方程计算Ag的理论相函 数和振幅函数，并用它们来拟合实验得到的EXAFS共振谱x(k)和对应的傅利叶变 换谱(Fourier transform-FT)。具体公式如下<formula>formula see original document page 4</formula>其中k为光电子波数；S、是振幅降低因子；Nj是第j层原子数目；Fj(k)是第j层原 子背散射振幅；Rj是第j层原子到中心原子之间的距离；2kRj代表发射波被j层原子 背散射回到起始点时的相漂移；(f)j(k)是中心原子的附加相漂移；Mk)是光电子的 平均自由程；cij2是第j层原子无序度因子，也被写成C2。它包括两部分:热无序 和结构无序。为了能有效地分析EXAFS谱，准确地得出其结构参数，上式被变换成<formula>formula see original document page 5</formula>其中<22 = <(>11)2>为相邻原子间距离的平方相对位移，又叫Debye-Waller因子， C3 = <(>11)3>为相邻原子间距离的立方相对位移，描述了原子的非和谐振动导致 的键长非对称性分布。R为同一配位层中的任意原子到中心原子之间的平均距 离，R=<r>。当n^4时，Cn = 0 (n为正整数)。EXAFS函数x(k)经P加权后，采用Hanning窗口函数对配位层进行匹配。 波数(k)匹配范围为2-16A—i，原子间距离(R)匹配范围为1.0-4.0 A。其中 配位距离R的最大误差范围为士0.006 A (298 K)，配位距离R的最小误差范围 为士O.OOl A (12K)。Ag体材料，样品Agl Ag3的Ag K边扩展X射线吸收精细结构谱及其对 应的Fourier转换见图2 图5。3、银纳米颗粒应力的计算利用UWXAFS 3.0程序包分析Ag-Ag最近邻 配位层原子间距离(见图6)。随着温度升高，Ag-Ag原子间距离增大，即通常 所讲的热胀冷缩。12K时，Ag体材料的最近邻Ag-Ag原子间距离为0.2878nm, 样品Agl ，样品Ag2和样品Ag3中的最近邻Ag-Ag原子间距离分别为0.2888nm， 0.2883nm和0.2879nm，大于Ag体材料的最近邻Ag-Ag，表明玻璃中的银纳米 颗粒发生晶格膨胀，银纳米颗粒在玻璃中受到张应力。对于玻璃中的银纳米颗 粒，其表面应力为<formula>formula see original document page 5</formula>上式中P为纳米颗粒的应力、"为体材料的晶格常数、^为晶格收縮或晶 格膨胀量、K为对应体材料压縮率，为材料的特征常数，K=9.93xl(T12m2/N， R为 颗粒半径，Ar二^-r， ^为纳米颗粒原子间距，r为对应体材料的原子间距。银纳米颗粒的晶格结构为面心立方结构，因此晶格常数变化值与晶格常数的比值 等同于最邻近原子间距离的变化值与体材料最邻近原子间距离的比值。由此，可 以计算出样品Agl ，样品Ag2和样品Ag3中银纳米颗粒所受的张应力分别为1.84 N/m， 5.25xlO"N/m， 7.35x10-2N/m。上述的对实施例的描述是为便于该
的普通技术人员能理解和应用 本专利技术。熟悉本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无损测量纳米颗粒应力的方法，特征在于测量纳米颗粒和对应体材料的原子间距，可通过如下方法得出纳米颗粒的应力状态和数值：Ｐ＝３Ｒ／２κ△ａ／ａ＝３Ｒ／２κ△ｒ／ｒ上式中Ｐ为纳米颗粒的应力、ａ为体材料的晶格常数、△ａ为晶格收缩或晶格膨胀量、△ｒ＝ｒ↓［１］－ｒ，ｒ↓［１］为纳米颗粒的原子间距，ｒ为对应体材料的原子间距，κ为对应体材料压缩率，Ｒ为颗粒半径。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨修春，杜天伦，钱达兴，黄文旵，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]