电子显微技术在纳米金属材料研究中的应用

冯 柳

（山东理工大学分析测试中心，山东 淄博 255000）

对纳米材料的研究最早始于20世纪80年代，人们逐渐在研究中发现纳米材料的独特优势，如宏观量子隧道效应、表面效应等。科学技术的进步和发展导致人们对金属材料的开发与应用提出更高层次的要求，科研人员不断对金属材料进行改善创新。利用纳米技术可以提升金属材料的力学性能及功能特性，金属材料中微小的成分组织都能通过纳米技术进行调控。运用电子显微技术对纳米金属材料进行分析研究，对新材料的发展有巨大的推动作用，所获取的研究成果对社会经济进步产生有利影响。

1 电子显微技术

1.1 电子显微技术概念

电子显微技术是以电子显微镜为研究手段来分析材料的一种技术。电子显微镜拥有高于光学显微镜的分辨率，可以放大几十倍到几十万倍的范围，在实验研究中具有不可替代的意义，推动了众多领域研究的进程。电子显微技术的光源为电子束，通过磁场聚焦成像或者静电场的分析技术才达成高分辨率的效果、利用电子显微镜可以得到聚焦清晰的图像，有利于研究人员对于实验结果进行观察分析。实验需要进行观察、测量、记录、分析等多项步骤，电子显微技术的作用可以贯穿整个实验过程，所以电子显微镜的重要性不言而喻。

1.2 我国电子显微技术在材料研究的发展历程

我国过去主要应用电子显微技术进行材料的检验和研制等工作，有效促进了科研的发展，并且培养了一批专业技术人才。随着电子显微镜技术在材料应用的水平不断提高，我国各项研究工作也顺利展开，极大程度上推动了整个社会的发展进程，也提高了人民的生活质量。我国的部分院校和研究院所等组织部门进行合作研究，积极开发电子显微技术的研究应用领域，至目前为止也取得了较为满意的成果。研究院所时常和工厂合作互助，利用电子显微技术解决生产技术难题，提升产品的工艺水平与质量；研究院所获得相应的经济支持用以推动电子显微技术的持续发展。虽然到现在电子显微技术已经拥有了较为显著的成果，但电子显微技术仍有很大的研发空间，需要专业人员不断进行探索实践，挖掘出电子显微技术在材料尤其是纳米尺度材料研发方面的发展潜力。在国家投入大量科研经费的支持下，经过专业科研人员多年的不懈努力，电子显微镜应用技术的研究已取得了一个良好的开端，并取得很大的进步。新时期信息技术的发展推动了电子显微技术的进步，电子显微技术也推动了其他科研项目实验研究的进展。

2 纳米金属材料特性

2.1 纳米金属结构材料特性

纳米金属结构材料由尺寸范围几纳米至一百纳米之内的金属颗粒与颗粒间的分界面组成，可以根据以下三种结构模型理解纳米结构材料的一些现象[2]。

（1）界面可变模型。纳米金属结构材料因颗粒（晶粒）为纳米级，所以拥有很多界面，界面之间所存在的能量会产生很大的不同。因为能量受到界面原子间距、排列、配位数等多方面的影响，会因它们的变化而产生变化。对于纳米结构材料而言，晶格常数的改变会带来表面平移周期的改变，甚至会对表面平移周期产生破坏。此类的复杂表面状态与相互作用使得纳米金属材料拥有独特的磁性、电性与光学性能。

（2）界面缺陷模型。纳米粒子的体积非常小，当界面组分改变时，晶界处原子排列有序度也会随之变化，造成界面中含有较多的缺陷。结构缺陷会对材料的超塑性、强度等方面造成很大的影响。

（3）类气态模型。原子在纳米金属结构材料界面上进行排列时是无序的，并未根据一定的规律排序，如气态一般进行无序分布。但专业研究人员对纳米材料微观结构的研究逐渐深入之后发现，纳米结构材料并不是完全处于无序状态，属于无序与有序结合的结构。

2.2 纳米金属颗粒特性

（1）体积效应。因金属颗粒处于纳米级别，所包含的原子很少，相应的体积也小，所以其物理性能与整体材料的性能不同，此现象称为体积效应。比如纳米金属颗粒的导电性小于相同成分块状金属的导电性，这是因为纳米金属颗粒整体振动和内部晶格振动致使粒子间的电子自由程比完整大块导体的偏低。体积效应还会引起大部分金属纳米粒子的熔点降低，但少部分纳米金属颗粒如铅、铝等颗粒的超导变化升高温度等。

（2）幻数结构。原子簇指粒径小于2纳米的纳米粒子，当这些粒径小于2纳米的纳米粒子中含有一些原子数目之时，这些纳米粒子的状态会变得极其稳定。能够让纳米粒子状态变稳定的原子数目被叫做幻数，此结构称为幻数结构。

（3）表面效应。当纳米粒子的尺寸变小时，纳米粒子的表面积会随之增大，纳米粒子表面原子的活性也会上升，这一系列变化会导致金属纳米粒子在空气之中容易产生聚集或相互吸引抱团的现象，甚至可能产生自燃。因为纳米金属颗粒具有明显的表面效应，纳米金属粒子存在显著的晶格收缩效应，晶格常数的降低会导致纳米粒子表层原子的输送与构型的不同。

（4）宏观量子隧道效应。隧道效应在纳米材料研究中指微观粒子贯穿势垒的能力。纳米金属粒子的特性中也包括隧道效应，通常也被称作宏观量子隧道效应。

（5）量子尺寸效应。德布洛意波长是纳米材料实验研究中常用作比对的一个参数，当纳米金属粒子的尺寸与之相当的时候，纳米粒子的电子会在一定程度上受到限制，导致电子能带结构与块状金属间产生很大的变化，也就是出现量子尺寸效应。

3 电子显微技术在纳米金属材料研究中应用

3.1 扫描隧道显微镜技术

扫描隧道显微镜简称为STM，通过STM能够实现操作控制单个原子，在进行纳米金属材料的研究中起到了重大的作用。英文名称为Scanning Tunneling Microscope，属于显微镜中拥有较高分辨率的一种，有着独特的优势，能够借助隧道电流研究纳米金属粒子的表面形貌及表面电子结构。STM可以观察表面具有的原子丘、平台、台阶、孔洞等结构缺陷，与此同时，STM还能观察研究纳米金属材料表面的原子和电子的结构，也可以通过观察材料的微观三维图像测量表面起伏的高度，此技术满足了人们追求直接对原子进行观察的欲望。STM在成像之时不会对样品产生破坏性，进行实验时减少对环境的限制。STM也具有很强的适用性，是技术人员进行纳米金属材料研究的重要工具。

3.2 扫描电子显微技术

扫描电子显微技术发明于1965年，缩写为SEM，可以用于对纳米材料进行微观形貌分析、粒度分析等，应用范围较为广泛。SEM的分辨率范围能够控制在1nm左右，可直接观察出微米或者亚微米的外观形状。SEM也在不断开展研究，目前主要有低压SEM、环境SEM、分析型SEM、场发射SEM等。如果配备X射线能谱仪装置，能够同时对微区成分进行分析，并对显微组织的形貌进行观察，是一种适用范围较广的科学研究仪器。目前扫描电子显微术的一大发展趋势就是进行SEM与其他设备的联用技术的研究。

3.3 原子力显微镜

原子力显微镜的英文名为Atomic Force Microscopy，缩写AFM。虽然AFM有着和STM相似的工作原理，但AFM具有着自己独特的优势。AFM对于样品的要求也较低，所以AFM的应用范围也较为宽广。在进行纳米金属材料研究中，AFM能够分析纳米金属材料的表面形貌，AFM可以同其他设备如STM、TEM等相结合进行纳米金属粒子的研究。

3.4 透射电子显微技术

透射电子显微技术是对材料进行微观结构研究的主要仪器之一，能够对纳米粒子的分布状态、微观形貌及晶体结构进行观察研究。研究人员使用透射电镜配合能谱仪（EDS）等技术可以同时对纳米材料的晶体结构和材料内部元素的分布状态实现高效率的表征。另外，透射电镜还可以精确测量纳米材料的粒度分布和尺寸，使用透射电子显微镜技术测试金属材料内部的纳米粒子，有着较高的精确性。另外，原位分析技术在TEM系统中应用已经取得了突破性的进展，比如TEM中通入一定的气氛、液相或升高一定温度，可以实时、高分辨观察研究材料的微观形貌及结构地变化。

3.5 其他电子显微技术

除了以上简述的四种方法，还有其它的电子显微技术可以应用于纳米金属材料的研究当中，如场离子显微镜（FIM），可以在固体的表面研究中占据一定的地位，该电子显微技术能够拥有原子级的高分辨率，可以分析不同原子的分布状态，并时常结合X射线衍射、光谱分析和热分析等技术进行实验研究。在目前的研究阶段，进行纳米金属材料分析时主要使用AFM、SEM、TEM、STM这四种电子显微技术。各种电子显微技术都有着自己独特的优点和劣势，根据研究内容、实验参数等不同影响因素选择最合适的电子显微技术是实验研究顺利开展的前提，对材料的研究能够起到促进作用，可以快速获取有益的实验成果。所以，深入了解各类电子显微技术的特点和适用范围，有效选择一种或多种显微分析技术，有利于更好地开展对纳米金属材料的研究，比如团簇类材料仅有几个原子的颗粒度，可以使用AFM和STM这两类电子显微技术结合分析、纳米晶结构材料可以选用SEM和TEM结合研究。

4 总结

纳米材料的不断研究既是科技水平迅猛发展的体现，也是时代发展的需要。新材料的发展最终会作用于人们的生活中，为人们的生活带来了极大便利。纳米金属材料因其尺寸只有几个到几十个纳米，所引起的特殊效应和不同类型的缺陷需要较高分辨率的仪器来分析，所以对此类材料的探索研究在目前仍处于初期阶段，为了更好地发展纳米金属材料，需要进一步结合电子显微术，以对纳米金属材料进行更加深入的研究。我国一直坚持对金属材料进行研究，随着现代科技的发展，对于纳米金属材料的研究也一定会取得优异的研究成果。利用电子显微技术对纳米金属材料的颗粒或晶粒进行深入研究，揭示纳米金属材料的微观信息与的宏观效应与特性的关系，有利于开发新的材料。