第八章納米固體材料的微結(jié)構(gòu)

第八章納米固體材料的微結(jié)構(gòu)第一頁，共五十五頁，2022年，8月28日

第八章納米固體材料的微結(jié)構(gòu)

材料的性質(zhì)與材料的結(jié)構(gòu)有密切的關(guān)系，搞清納米材料結(jié)構(gòu)對(duì)進(jìn)一步了解納米材料的特性是十分重要的。從本章開始我們將比較系統(tǒng)地介紹一下納米固體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研究的現(xiàn)狀，描述納米固體界面的結(jié)構(gòu)模型。在詳細(xì)的評(píng)述有關(guān)納米固體各種實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上提出對(duì)納米結(jié)構(gòu)的基本看法。在本章的最后我們還對(duì)納米固體中的缺陷，界面熱力學(xué)進(jìn)行簡單地描述。第二頁，共五十五頁，2022年，8月28日8．1納米固體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)8．2納米固體界面的結(jié)構(gòu)模型8．2．1類氣態(tài)模型8．2．2有序模型8．2．3結(jié)構(gòu)特征分布模型8．3納米固體界面的X光實(shí)驗(yàn)研究8．3．1類氣態(tài)模型的誕生及爭論8．3．2有序結(jié)構(gòu)模型的實(shí)驗(yàn)依據(jù)研究8．3．3納米非晶固體界面的徑向分布函數(shù)研究8．4界面結(jié)構(gòu)的電鏡觀察8．5穆斯堡爾譜研究8．6納米固體結(jié)構(gòu)的內(nèi)耗研究8．6．1界面黏滯性的研究8．6．2退火過程中納米材料結(jié)構(gòu)變化的內(nèi)耗研究第三頁，共五十五頁，2022年，8月28日8.1納米固體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)該組元中所有原子都位于晶粒內(nèi)的格點(diǎn)上所有原子都位于晶粒之間的界面上TEM,XRD,穆斯堡爾譜，正電子淹沒納米微晶晶粒組元界面組元第四頁，共五十五頁，2022年，8月28日用透射電鏡，x射線衍射，正電子湮沒及穆斯堡爾譜對(duì)納米微晶的結(jié)構(gòu)研究表明，納米微晶可分為兩種組元：(i)晶粒組元，該組元中所有原子都位于晶粒內(nèi)的格點(diǎn)上；(ii)界面組元，所有原子都位于晶粒之間的界面上。納米非晶固體或準(zhǔn)晶固體是由非晶或準(zhǔn)晶組元與界面組元構(gòu)成．晶粒，非晶和準(zhǔn)晶組元統(tǒng)稱為顆粒組元。界面組元與顆粒組元的體積之比，可由下式得到：

R＝3δ／d（8.1）式中δ為界面的平均厚度，通常包括3到4個(gè)原于層，d為顆粒組元的平均直徑。由此，界面原子所占體積百分?jǐn)?shù)為

Ci＝3δ／(d十δ)＝3δ／D(8.2)式中，d=(d十δ)為顆粒的平均直徑。第五頁，共五十五頁，2022年，8月28日假定粒子為立方體，則單位體積內(nèi)的界面面積為單位體積內(nèi)包含界面數(shù)Nf＝Si／D2Si=Ci/δ如果顆粒組元的平均直徑d為5nm，界面的平均厚度為lnm，則用上述公式可得：

界面體積分?jǐn)?shù)Ct≈50%，

單位體積內(nèi)的界面面積St≈500m2/cm3，

單位體積內(nèi)包含的界面數(shù)Nf≈2×1019/cm3。這樣龐大的界面對(duì)納米固體材料的性能將產(chǎn)生很大的影響。

第六頁，共五十五頁，2022年，8月28日納米微晶界面的原子結(jié)構(gòu)取決于相鄰晶體的相對(duì)取向及邊界的傾角。如果晶體取向是隨機(jī)的，則納米固體物質(zhì)的所有晶粒間界將具有不同的原子結(jié)構(gòu)，這些原子結(jié)構(gòu)可由不同的原子間距加以區(qū)分。如果8.1所示，不同的原子間距由晶界A,B內(nèi)的箭頭表示。第七頁，共五十五頁，2022年，8月28日第八頁，共五十五頁，2022年，8月28日納米非晶結(jié)構(gòu)材料與納米微晶不同，它的顆粒組元是短程有序的非晶態(tài)。界面組元的原子排列是比顆粒組元內(nèi)原子排列更混亂，總體來說，他是一種無序程度更高的納米材料。上面敘述的評(píng)估納米微晶的公式原則上也適用于納米非晶材料的結(jié)構(gòu)表征。第九頁，共五十五頁，2022年，8月28日8.2納米固體界面的結(jié)構(gòu)模型納米材料結(jié)構(gòu)的描述主要應(yīng)該考慮到顆粒的尺寸、形態(tài)及其分布，界面的形態(tài)、原子組態(tài)或者鍵組態(tài)，顆粒內(nèi)和界面的缺陷種類、數(shù)量及組態(tài)，顆粒內(nèi)和界面的化學(xué)組分、雜質(zhì)元素的分布等。其中界面的微觀結(jié)構(gòu)在某種意義上來說是影響納米材料性質(zhì)的最重要的因素。下面我們簡述一下自1987年以來描述納米固體材料微結(jié)構(gòu)的幾個(gè)模型。第十頁，共五十五頁，2022年，8月28日類氣態(tài)模型有序模型結(jié)構(gòu)特征分布模型納米微晶界面內(nèi)原子排列既沒有長程序，又沒有短程序，是一種類氣態(tài)的，無序程度很高的結(jié)構(gòu)。納米材料的界面原子排列是有序的。納米結(jié)構(gòu)材料的界面并不是具有單一的同樣的結(jié)構(gòu)，界面結(jié)構(gòu)是多種多樣的。納米固體界面的結(jié)構(gòu)模型第十一頁，共五十五頁，2022年，8月28日內(nèi)容：納米材料的界面原子排列是有序的。Thomas和Siegel根據(jù)高分辨TEM的觀察，認(rèn)為納米材料的界面結(jié)構(gòu)和常規(guī)粗晶材料的界面結(jié)構(gòu)本質(zhì)上沒有太大差別。Eastman對(duì)納米材料的界面進(jìn)行了XRD和EXAFs的研究，在仔細(xì)分析多種納米材料的實(shí)驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上，提出了納米材料的界面原子排列是有序的或者是局部有序的。

Ishida用高壓高分辨TEM觀察到了納米晶Pd的界面中局部有序化的結(jié)構(gòu)，并觀察到只有有序晶體中才出現(xiàn)的孿晶、層錯(cuò)和位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)有序模型第十二頁，共五十五頁，2022年，8月28日提出：Gleiter教授于1987年提出。內(nèi)容：他認(rèn)為納米晶體的界面原子的排列，既沒有長程有序，也沒有短程有序，是一種類氣態(tài)的、無序程度很高的結(jié)構(gòu)。評(píng)價(jià)：該模型與大量事實(shí)有出入。自1990年以來文獻(xiàn)上不再引用該模型，Gleiter教授也不再堅(jiān)持這個(gè)模型。

類氣態(tài)模型第十三頁，共五十五頁，2022年，8月28日

例：許多人用高分辨TEM分別在納米晶Pd中觀察到位錯(cuò)、孿晶、位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)等。圖4.1為納米晶Pd中的位錯(cuò)和孿晶的高分辨像。

第十四頁，共五十五頁，2022年，8月28日理論研究：俄國Gryaznov等人從理論上分析了納米材料的小尺寸效應(yīng)對(duì)晶粒內(nèi)位錯(cuò)組態(tài)的影響，對(duì)多種金屬納米晶體的位錯(cuò)組態(tài)發(fā)生突變的臨界尺寸進(jìn)行了計(jì)算。

結(jié)果：當(dāng)晶粒尺寸與德布洛意波長或電子平均自由程差不多時(shí)，由于量子尺寸效應(yīng)，使許多物理性質(zhì)發(fā)生變化。當(dāng)粒徑小于某一臨界尺寸時(shí)，位錯(cuò)不穩(wěn)定，趨向于離開晶粒；當(dāng)粒徑大于此臨界尺寸時(shí)，位錯(cuò)穩(wěn)定地處于晶粒中。位錯(cuò)穩(wěn)定存在的臨界尺寸

式中，G為剪切模量；b為柏氏矢量；σp為點(diǎn)陣摩擦力。

第十五頁，共五十五頁，2022年，8月28日2)納米固體材料中的三叉晶界三叉晶界：三個(gè)或三個(gè)以上相鄰晶粒之間的交叉區(qū)域。納米材料中的三叉晶界體積分?jǐn)?shù)高于常規(guī)多晶材料，對(duì)晶粒尺寸的敏感度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于晶界體積分?jǐn)?shù)。因而對(duì)力學(xué)性能影響很大。當(dāng)粒徑d從l00nm減小到2nm時(shí)，三叉晶界體積分?jǐn)?shù)增加了三個(gè)數(shù)量級(jí)，而晶界體積分?jǐn)?shù)僅增加約一個(gè)數(shù)量級(jí)。這就意味著三叉晶界對(duì)納米晶塊體材料性能的影響將是非常大的。

Bollman曾經(jīng)指出，三叉晶界可描述為螺旋位錯(cuò)結(jié)構(gòu)，它的結(jié)構(gòu)依賴于相鄰晶粒特有的晶體學(xué)排列。隨相鄰晶粒取相混亂程度增加，三叉晶界中缺陷增多。

第十六頁，共五十五頁，2022年，8月28日第十七頁，共五十五頁，2022年，8月28日孔洞：一般處于晶界上。孔洞存在的數(shù)量決定了納米材料的致密程度。孔洞隨退火溫度的升高和退火時(shí)間的加長會(huì)收縮，甚至完全消失，這個(gè)過程主要靠質(zhì)量遷移來實(shí)現(xiàn)。關(guān)于納米材料的致密化問題的兩種觀點(diǎn)：觀點(diǎn)1：認(rèn)為是由于納米微粒的團(tuán)聚現(xiàn)象在壓制成型過程中硬團(tuán)聚很難被消除，這樣就把硬團(tuán)聚體中的孔洞殘留在納米材料中，即便高溫?zé)Y(jié)也很難消除掉，因此不加任何添加劑的燒結(jié)，納米相材料的致密度只能達(dá)到約90%。觀點(diǎn)2：認(rèn)為納米微粒表面很容易吸附氣體，在壓制成型過程中很容易形成氣孔，一經(jīng)燒結(jié)，氣體跑掉了，自然會(huì)留下孔洞，這是影響納米相材料致密化的一個(gè)重要原因。

第十八頁，共五十五頁，2022年，8月28日（3）納米固體材料中的空位

在納米材料中，界面(包括晶界和三叉晶界)體積分?jǐn)?shù)比常規(guī)多晶大得多，界面中的原子懸鍵較多，使得空位、空位團(tuán)、孔洞等點(diǎn)缺陷增加。單空位：主要存在于晶界上，是由于納米固體顆粒在壓制成塊體時(shí)形成的?？瘴粓F(tuán)：主要分布在三叉晶界上。它的形成一部分歸結(jié)為單空位的擴(kuò)散凝聚，另一部分是在壓塊體時(shí)形成的?？瘴粓F(tuán)一般都很穩(wěn)定，在退火過程中，即使晶粒長大了，空位團(tuán)仍然存在。這是因?yàn)樵谕嘶疬^程中三叉晶界不能被消除。

第十九頁，共五十五頁，2022年，8月28日Lupo等人于1992年采用分子動(dòng)力學(xué)和靜力學(xué)計(jì)算了在300K時(shí)納米晶Si的徑向分布函數(shù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)納米晶Si和常規(guī)單晶Si在徑向分布函數(shù)上有差別。

當(dāng)界面原子間距γa≤d/2(d為粒徑)時(shí)：徑向分布函數(shù)類似于常規(guī)多晶，但分布函數(shù)峰的幅度隨原子間距單調(diào)下降，而常規(guī)多晶是起伏的。

當(dāng)界面原子間距γa>d/2時(shí)：徑向分布函數(shù)類似于常規(guī)非晶。納米材料的界面有序條件：主要取決于界面的原子間距和顆粒大小。當(dāng)γa≤d/2時(shí)，界面為有序結(jié)構(gòu)；當(dāng)γa>d/2時(shí)，界面為無序結(jié)構(gòu)。

第二十頁，共五十五頁，2022年，8月28日基本觀點(diǎn)：納米材料的界面不是單一的、同樣的結(jié)構(gòu)，界面結(jié)構(gòu)是多種多樣的。在龐大的界面中，由于在能量、缺陷、晶粒取向、雜質(zhì)偏聚上的差別，納米材料的界面結(jié)構(gòu)存在一個(gè)分布，它們都處于無序到有序的中間狀態(tài)。

無序→短程有序→擴(kuò)展有序→長程有序。這個(gè)結(jié)構(gòu)特征分布受制備方法、溫度、壓力等因素的影響很大。隨著退火溫度的升高或壓力的增大，有序或擴(kuò)展有序界面的數(shù)量增加。

例：有人用高分辨TEM觀察了納米晶Pd塊體的界面結(jié)構(gòu)，在同一個(gè)試樣中既看到了有序界面，也看到了無序界面。結(jié)構(gòu)特征分布模型第二十一頁，共五十五頁，2022年，8月28日８.３納米固體界面的X光實(shí)驗(yàn)研究

晶體在結(jié)構(gòu)上的特征是其中原于在空間的排列具有周期性，即具有長程有序。多晶是由許多取向不同的單晶晶粒組成，在每一晶粒中原子的排列仍是長程有序的。非晶態(tài)原子的空間排列不是長程有序的，但卻保持著短程有序，即每一原子周圍的最近鄰原于數(shù)與晶體中一樣仍是確定的，而且這些最近鄰原子的空間排列方式仍大體保留晶體的特征。如圖8．2所示，非晶體的原子徑向分布概率函數(shù)第一峰對(duì)應(yīng)于最近鄰原子分布，它尖而高，位置與晶體中最近鄰原子間距一致，由峰面積推算得最近鄰原于數(shù)也與晶體的基本一致，表明從最近鄰原子分布看，仍保持晶體的短程有序性。但隨著原子間距r的增大。概率函數(shù)的峰值變得越來越不顯著．說明原子的分布已不具有晶體中的長程序。第二十二頁，共五十五頁，2022年，8月28日第二十三頁，共五十五頁，2022年，8月28日8．3．1類氣態(tài)模型的誕生及爭論1987年德國薩爾大學(xué)新材料研究組GLeiter等人首先用x射線衍射研究了納米Fe微晶界面的結(jié)構(gòu)。圖8．3(a)示出的是懸浮于石蠟基體上的超細(xì)Fe微粒的X射線衍射曲線，這與通常的bcc結(jié)構(gòu)的a—Fe的衍射結(jié)果是一致的。壓實(shí)后的納米鐵微晶的x射線衍射強(qiáng)度．圖8．3(b)則可分解成兩部分：其晶體組元一5至6納米的Fe晶粒的貢獻(xiàn)由圖8．3(a)示出；界面組元的貢獻(xiàn)由總衍射強(qiáng)度圖8．3(b)減去晶體組元貢獻(xiàn)得到，見圖8．3(c)。這部分衍射強(qiáng)度(圖8．3(c)中曲線(C)不同于非晶Fe的衍射，圖8．3(c)曲線E，卻類似于具有氣態(tài)結(jié)構(gòu)的鐵樣品的散射圖8．3(c)中曲線D。這一成分是由界面原子貢獻(xiàn)的。如圖第二十四頁，共五十五頁，2022年，8月28日2第二十五頁，共五十五頁，2022年，8月28日第二十六頁，共五十五頁，2022年，8月28日1992年Fitzsimmons和Eastman共同合作在美國Argon實(shí)驗(yàn)室對(duì)納米Pd晶體進(jìn)行了x射線衍射研究。他們?cè)趯?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法上不同于GLeiter等人。其特點(diǎn)是對(duì)布拉格衍射的強(qiáng)度采用洛倫茲函數(shù)代替了傳統(tǒng)的高斯函數(shù)；用一個(gè)二次方程加上一個(gè)洛倫茲函數(shù)來擬合了16個(gè)布拉格衍射峰；并把納米微晶Pd與粗晶多晶的衍射背景進(jìn)行比較，當(dāng)散射矢量幅度τ(=4/λ)〉40nm-1時(shí)納米晶與粗晶的衍射背景無多大差別，當(dāng)τ＜40nm-1，兩者衍射有些差別，這主要?dú)w結(jié)為低強(qiáng)度衍射擬合過程中的誤差。這說明納米材料結(jié)構(gòu)是有序的，他們還根據(jù)德拜—沃勒(Debye-Waller)因子的計(jì)算得出納米晶Pd試樣的德拜—沃勒因子比粗晶Pd大，即納米材料Pd試樣中原子的均方位移比粗晶大約27％(室溫下)。類氣態(tài)模型依據(jù)的X光實(shí)驗(yàn)最主要的疏忽是沒有把納米晶Pd的背景衍射強(qiáng)度與粗晶的進(jìn)行比較。第二十七頁，共五十五頁，2022年，8月28日8．3．2有序結(jié)構(gòu)模型的實(shí)驗(yàn)依據(jù)上面已提到Eastman等人利用X射線衍射技術(shù)對(duì)納米晶Pd的界面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入細(xì)致地研究，結(jié)果觀察到納米晶Pd與粗晶多晶Pd的界面結(jié)構(gòu)沒有差別，從而否定了納米材料界面的類氣態(tài)模型．他們進(jìn)一步結(jié)合納米晶Pd的氫化行為研究和EXAFS實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出了納米晶Pd的界面為有序或局域有序結(jié)構(gòu)．第二十八頁，共五十五頁，2022年，8月28日納米Pd的氫化行為

結(jié)論：α－Pd完全轉(zhuǎn)變成β－PdHx的現(xiàn)象說明納米Pd的界面不是擴(kuò)展的無序晶界。這是因?yàn)閿U(kuò)展的無序晶界會(huì)阻止α－Pd轉(zhuǎn)變成β－PdHx。這就進(jìn)一步證明了納米晶Pd的界面是有序的。第二十九頁，共五十五頁，2022年，8月28日EXAFS研究Eastman等人認(rèn)為粉體中界面占的體積分?jǐn)?shù)極小，可以忽略不計(jì)，由此他們推斷EXAFS幅度的降低，并不是由界面原子混亂排列所引起的，并根據(jù)這一實(shí)驗(yàn)事實(shí)否定了納米材料界面是無序的觀點(diǎn)。第三十頁，共五十五頁，2022年，8月28日8.3.3納米非晶固體界面的徑向分布函數(shù)研究納米非晶材料由于顆粒組元本身是非晶態(tài)的，因此它是一種無序程度較高的納米材料。這類材料的界面與納米微晶材料的界面有沒有差異一直是人們關(guān)注的問題.由于電鏡觀察和x光衍射很難給出這類結(jié)構(gòu)的定量數(shù)據(jù)，所以x光徑向分布函數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究對(duì)了解納米非晶材料的微結(jié)構(gòu)顯得十分重要。納米非晶氮化硅塊體材料的x光徑向分布函數(shù)(RDF)研究給出了這種材料的平均鍵長和配位數(shù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)果如表8.1所示。第三十一頁，共五十五頁，2022年，8月28日由表可以看出：對(duì)應(yīng)不同熱處理的試樣的平均鍵長（Si—N鍵長或Si—Si鍵長）幾乎相同。只有假設(shè)顆粒內(nèi)和界面內(nèi)平均鍵長在一定溫度范圍內(nèi)熱處理都不發(fā)生變化的情況下才能與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合，因此，我們沒有理由認(rèn)為界面中Si—N鍵長或Si—Si鍵長是變化的，原子排列是混亂的，而用短程有序來描述納米非晶氮化硅塊材界面結(jié)構(gòu)是合理的。第三十二頁，共五十五頁，2022年，8月28日

XPS的實(shí)驗(yàn)表明，納米非晶氮化硅試樣中的N/Si小于常規(guī)非晶氮化硅的N/Si比（1.29）（見圖8.8），而后者為典型的Si－N4四面體短程結(jié)構(gòu)。如果納米非晶氮化硅中顆粒組元的短程結(jié)構(gòu)與常規(guī)非晶氮化硅類似，那么可以推斷納米非晶氮化硅塊材的界面結(jié)構(gòu)是一種偏離Si－N4四面體短程有序結(jié)構(gòu)。第三十三頁，共五十五頁，2022年，8月28日8.4界面結(jié)構(gòu)的電鏡觀察高分辨透射電鏡為直接觀察納米微晶的結(jié)構(gòu)，尤其是界面原子結(jié)構(gòu)提供了有效的手段。Thoms等對(duì)納米晶Pd的界面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了高分辨電鏡的觀察，沒有發(fā)現(xiàn)界面內(nèi)存在擴(kuò)展的無序結(jié)構(gòu)，原子排列有序程度很高，和常規(guī)粗晶材料的界面沒有明顯的差別(見圖8.9)。第三十四頁，共五十五頁，2022年，8月28日Ishida對(duì)納米Pd試樣的高分辨電境觀察發(fā)現(xiàn)，在晶粒中存在孿晶，納米晶靠近界面的區(qū)域有位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)存在。圖8.10示出了納米晶Pd界面結(jié)構(gòu)的高分辨像和示意圖。結(jié)果表明，納米晶Pd的界面基本上是有序的。Ishida把它稱為擴(kuò)展的有序結(jié)構(gòu)。Siegel等對(duì)TiO2(金紅石)納米結(jié)構(gòu)材料的界面進(jìn)行了高分辨電鏡觀察，沒有發(fā)現(xiàn)無序結(jié)構(gòu)存在。第三十五頁，共五十五頁，2022年，8月28日李斗星用先進(jìn)的400E高分辨電鏡在納米Pd晶體同一試樣中既看到了界面原子的有序排列，也看到了混亂原子排列的無序界面，如圖8.11所示。第三十六頁，共五十五頁，2022年，8月28日(1)試樣制備過程中界面結(jié)構(gòu)弛豫問題納米材料的界面由于自由能高，本身處在不穩(wěn)定的狀態(tài)，當(dāng)試樣減薄到可以滿足電鏡觀察所需要的厚度時(shí)，由于應(yīng)力馳豫導(dǎo)致了納米材料界面結(jié)構(gòu)的馳豫，這樣，高分辨電鏡所觀察的結(jié)果很可能與初態(tài)有很大的差異。(2)電子束誘導(dǎo)的界面結(jié)構(gòu)弛豫高分辨電鏡中電子束具有很高的能量，照射到薄膜表面上很可能導(dǎo)致試樣局部區(qū)域發(fā)熱而界面結(jié)構(gòu)馳豫。納米材料界面內(nèi)原子擴(kuò)散速度很快，激活能很低，原子馳豫運(yùn)動(dòng)所需的激活能很低，即使在低溫下電子束轟擊也會(huì)對(duì)納米材料界面的初態(tài)有影響。注意這里應(yīng)該指出，在用電子顯微鏡研究納米材料界面結(jié)構(gòu)時(shí)，有以下幾個(gè)問題應(yīng)該考慮，否則很難使人相信高分辨電鏡對(duì)納米材料界面觀察結(jié)果是否代表了納米材料界面的真實(shí)結(jié)構(gòu)。第三十七頁，共五十五頁，2022年，8月28日8.5穆斯堡爾譜研究

在固體中處于激發(fā)態(tài)的核回到基態(tài)時(shí)無反沖地放出光子，這種光子被處于基態(tài)的同種核(又稱吸收體)無反沖地共振吸收的吸收譜稱為穆斯堡爾譜。由于原子核與其核外環(huán)境（核外電子，近鄰原子及晶體結(jié)構(gòu)等）之間存在細(xì)微的相互作用，即超精細(xì)相互作用。穆斯堡爾譜學(xué)提供了直接研究它的一個(gè)有效手段，并能直接有效地給出有關(guān)微觀結(jié)構(gòu)的信息。第三十八頁，共五十五頁，2022年，8月28日8.5.1穆斯堡爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)1958年，德國人穆斯堡爾(R.L.Mossbaure)在致力于有關(guān)原子核γ射線共振吸收的研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)了穆斯堡爾效應(yīng)。1961年，穆斯堡爾由于發(fā)現(xiàn)穆斯堡爾效應(yīng)分享到了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。第三十九頁，共五十五頁，2022年，8月28日8.5.2穆斯堡爾效應(yīng)無反沖原子核的γ發(fā)射和其共振吸收現(xiàn)象。即處于激發(fā)態(tài)的原子核發(fā)射出的γ光子，被另一個(gè)處于基態(tài)的同種元素原子核所吸收，而躍遷到激發(fā)態(tài)的現(xiàn)象。了解幾點(diǎn)知識(shí)（2）原子核衰變：處于激發(fā)態(tài)的原子核可以通過釋放能量回落到基態(tài)，其能量釋放是以發(fā)射γ光子的形式完成，稱為γ衰變。（1）原子核能級(jí)：原子核具有能級(jí)結(jié)構(gòu)，處于不同狀態(tài)的原子核具有不同的能量。第四十頁，共五十五頁，2022年，8月28日（3）原子核的共振吸收：原子核（發(fā)射體）發(fā)射出的γ光子，在通過處于基態(tài)的同種元素原子核（吸收體）時(shí)，將被原子核吸收，其能量可躍遷到激發(fā)態(tài)，為原子核的共振吸收。（4）原子核的反沖：原子核在發(fā)射或吸收γ光子時(shí)，核將受到一個(gè)相反方向的反沖，自身要產(chǎn)生反沖作用。（5）核反沖作用的消除：將發(fā)射體和吸收體都冷卻到液態(tài)空氣溫度（約88K），使原子核由于鍵合作用被牢牢固定在點(diǎn)陣晶格上，反沖動(dòng)能趨向于零。無反沖核γ發(fā)射和共振吸收，可使穆斯堡爾效應(yīng)大大增強(qiáng)。第四十一頁，共五十五頁，2022年，8月28日穆斯堡爾譜儀1、原理示意圖：放射源試樣γ射線探測(cè)器放射源發(fā)射γ射線——經(jīng)試樣后被吸收體原子核吸收——探測(cè)器接收γ射線，并轉(zhuǎn)化成電壓脈沖信號(hào)，可反映試樣吸收γ射線的情況γγ第四十二頁，共五十五頁，2022年，8月28日2裝置示意圖探測(cè)器探測(cè)到未被吸收的γ射線，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后得到電脈沖信號(hào)，并經(jīng)放大器放大后送入模數(shù)變換器，顯示譜線

第四十三頁，共五十五頁，2022年，8月28日穆斯堡爾譜儀第四十四頁，共五十五頁，2022年，8月28日Birringer與herr等人測(cè)量了納米Fe微晶樣品的穆斯堡爾譜，見圖8.12。第四十五頁，共五十五頁，2022年，8月28日測(cè)量是在10K與室溫間的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。測(cè)得的譜可用兩組六線譜進(jìn)行擬合，其超精細(xì)參數(shù)列于表8.2。譜線1與α—Fe的超微粒的穆斯堡爾譜一致，譜線2的形狀(寬度、強(qiáng)度)和參數(shù)與通常的多晶鐵的相應(yīng)量有顯著差異。第四十六頁，共五十五頁，2022年，8月28日?qǐng)D8.13示出的是晶體組元與界面組元的超精細(xì)場(chǎng)H隨溫度的變化。低溫時(shí)，線2具有較大的H值，但其H值隨著溫度的升高下降較快。這是因?yàn)榻缑娼M元的居里溫度Tc較低。第四十七頁，共五十五頁，2022年，8月28日分辨率高，靈敏度高，抗干擾能力強(qiáng)，所研究的對(duì)象可以是導(dǎo)體、半導(dǎo)體或絕緣體，試樣可以是晶體、非晶體，可以是粉未、超細(xì)小顆粒，范圍非常廣。利用穆斯堡爾譜可方便地研究原子核與其周圍環(huán)境間的超精細(xì)相互作用，可以靈敏地獲得原子核周圍的物理和化學(xué)環(huán)境的信息,為物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的分析提供重要的信息。不足之處是：只有有限數(shù)量的核有穆斯堡爾效應(yīng)，目前只有57Fe和119Sn等少數(shù)的穆斯堡爾核得到了充分的應(yīng)用。穆斯堡爾譜分析的特點(diǎn)第四十八頁，共五十五頁，2022年，8月28日8.6納米固體結(jié)構(gòu)的內(nèi)耗研究

由于內(nèi)部的某種原因使機(jī)械能逐漸被消耗的現(xiàn)象稱為內(nèi)耗。內(nèi)耗作為一種手段可以用來研究材料內(nèi)部的微結(jié)構(gòu)和缺陷以及它們之間的交互作用。它的重要特點(diǎn)是在非破壞的情況下靈敏地探測(cè)材料的微結(jié)構(gòu)。有人把它稱作“原子探針”。納米材料由于它的基本構(gòu)成與常規(guī)材料不同，因而它的微結(jié)構(gòu)，特別是界面的結(jié)構(gòu)、缺陷都有它獨(dú)特的特征。納米材料在形成過程中經(jīng)受了很