1.薄膜制备技术代表性的制备方法 物理气相沉积法(PVD)（粒子束溅射沉积、磁控溅射沉积、真空蒸镀）：表示在真空条件下，采用物理方法，将材料源——固体或液体表面气化成气态原子、分子或部分电离成离子，并通过低压气体（或等离子体）过程，在基体表面沉积具有某种特殊功能的薄膜的技术。 化学气相沉积法(CVD)：气相沉积过程中沉积粒子来源于化合物的气相分解反应，因此称为化学气相沉积法 2.薄膜的表征技术 2.1 薄膜厚度：几何厚度、光学厚度、质量厚度 几何厚度：等厚干涉条纹法、等色干涉条纹法 2.2 结构表征 （1）薄膜的宏观形貌，包括薄膜尺寸、形状、厚度、均匀性等； （2）薄膜的微观形貌，如晶粒及物相的尺寸大小和分布、孔洞和裂纹、界面扩散层及薄膜织构等； （3）薄膜的显微组织，包括晶粒内的缺陷、晶界及外延界面的完整性、位错组态等。 扫描电子显微镜Scanning Electronic Microscope (SEM)： 透射电子显微镜Transmission Electronic Microscope X射线衍射方法 低能电子衍射（LEED）和反射式高能电子衍射（RHEED） 扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope-STM） 原子力显微镜（AFM） 2.3 成分表征 原子内的电子激发及相应的能量过程 X射线能量色散谱（EDX） 俄歇电子能谱（AES） X射线光电子能谱（XPS） 卢瑟福背散射技术（RBS） 二次离子质谱（SIMS） 3. 各种特种薄膜的应用 金刚石薄膜：高硬度、高耐磨性使得金刚石薄膜成为极佳的工具材料；金刚石具有极高的热导率，这使得金刚石成为极好的高功率光电子元件的散热器件材料；金刚石在从紫外到远红外的很宽的波长范围内具有很高的光谱透过性能以及极高的硬度、强度、热导率以及极低的线膨胀系数和良好的化学稳定性，这些优异性质的综合使得金刚石薄膜成为可以在恶劣环境中使用的极好的光学窗口材料。 硬质涂层：按其材料类别被细分为陶瓷以及金属间化合物两类 热防护涂层：热防护涂层通常是由一层金属涂层和一层氧化物热防护层组成的复合涂层防腐涂层:陶瓷材料涂层、高分子材料涂层、阳极防护性涂层
压电薄膜材料的性能与性能特点 压电材料是实现机械能与电能相互转换的功能材料，它的发展有着十分悠久的历史。自19世纪80年代从CURIE 兄弟在石英晶体上发现了压电效应后，压电材料开始引起人们的广泛注意，随着研究深入，不断涌现出大量的压电材料，如压电功能陶瓷材料、压电薄膜、压电复合材料等。这些材料有着十分广泛的用途，在电、磁、声、光、热、湿、气、力等功能转换器件中发挥着重要的作用。 PVDF压电薄膜 PVDF压电薄膜即聚偏氟乙烯压电薄膜，在1969年，日本人发现了高分子材料聚偏氟乙烯（polyvinylidene fluoride polymer) 简称PVDF，具有极强的压电效应。 PVDF薄膜主要有二种晶型即α型和β型，α型晶体不具有压电性，但PVDF膜经滚延拉伸后，原来薄膜中的α型晶体变成β型晶体结构。拉伸极化后的PVDF 薄膜在承受一定方向的外力或变形时，材料的极化面就会产生一定的电荷，即压电效应。 与压电陶瓷和压电晶体相比，压电薄膜主要有以下优点： （1）质量轻，它的密度只有常用的压电陶瓷PZT的四分之一，粘贴在被测物体上对原结构几乎不产生影响，高弹性柔顺性，可以加工成特定形状可以与任意被测表面完全贴合，机械强度高，抗冲击； （2）高电压输出，在同样受力条件下，输出电压比压电陶瓷高10倍； （3）高介电强度，可以耐受强电场的作用（75V/um），此时大部分压电陶瓷已经退极化了； （4）声阻抗低，仅为压电陶瓷PZT的十分之一，与水、人体组织以及粘胶体相接近；（5）频响宽，从10-3Hz到109均能转换机电效应，而且振动模式单纯。 因此在力学中可以测量应力和应变，在振动中可以制作加速度计和振动模态传感器，在声学上可以制作声辐射模态传感器和超声换能器以及用在主动控制中，在机器人研究中可以
摘要：通过对压电陶瓷器件进行阻抗测试可得到压电振子等效电路模型参数与谐振频率。通过对压电陶瓷器件电容值、温度稳定性、绝缘电阻、介质耐电压等电性能参数进行测量与分析后可知：压电陶瓷器件电特性符合一般电容器特点，所用连接线材在较低频率下寄生电容不明显，在常温下工作较稳定，厚度较厚的产品绝缘性和可靠性指标较好。 关键词：压电陶瓷；等效电路模型；电特性；可靠性 0 引言 压电陶瓷(Piezoelectric Ceramics，PZT)受到微小外力作用时，能把机械能变成电能，当加上电压时，又会把电能变成机械能。它通常由几种氧化物或碳酸盐在烧结过程中发生固相反应而形成，其制造工艺与普通的电子陶瓷相似。与其他压电材料相比，具有化学性质稳定，易于掺杂、方便塑形的特点[1]，已被广泛应用到与人们生活息息相关的许多领域,遍及工业、军事、医疗卫生、日常生活等。利用铁电陶瓷的高介电常数可制作大容量的陶瓷电容器；利用其压电性可制作各种压电器件；利用其热释电性可制作人体红外探测器；通过适当工艺制成的透明铁电陶瓷具有电控光特性，利用它可制作存贮，显示或开关用的电控光特性器件。通过物理或化学方法制备的PZT、PLZT等铁电薄膜，在电光器件、非挥发性铁电存储器件等有重要用途[2-5]。 为了保护生态环境，欧盟成员国已规定自2006年7月1日起，所有在欧盟市场上出售的电子电气产品设备全部禁止使用铅、水银、镉、六价铬等物质。我国对生态环境的保护也是相当重视的。因此，近年来对无铅压电陶瓷进行了重点发展和开发。但无铅压电陶瓷性能相对于PZT陶瓷来说，总体性能还是不足以与PZT陶瓷相比。因此，当前乃至今后一段时间内压电陶瓷首选仍将是以PZT为基的陶瓷。 本文将应用逆压电效应以压电陶瓷蜂鸣片为例进行阻抗测试、电容值、绝缘电阻、介质耐电压等电性能参数进行测量与分析。 1 测量参数和实验方法依据 目前我国现有的关于压电陶瓷材料的测试标准主要有以下： GB/T 3389-2008 压电陶瓷材料性能测试方法 GB/T 6427-1999 压电陶瓷振子频率温度稳定性的测试方法 GB/T 16304-1996 压电陶瓷电场应变特性测试方法 GB 11387-89 压电陶瓷材料静态弯曲强度试验方法 GB 11320-89 压电陶瓷材料性能方法（低机械品质因数压电陶瓷材料性能的测试）
---第 31卷 第 4期 压 电 与 声 光 V ol.31 N o. 4 2009年 8月 P IEZOEL ECT ECT RICS & A CO U ST O OP T ICS Aug. 2009 文章编号:1004-2474(2009) 04-0608-05 (1. 压电薄膜特性参数的测量方法 王青萍 , 范跃农 , 姜胜林 湖北第二师范学院 物理与电子工程系, 湖北 武汉 430205; 2. 景德镇陶瓷学院 机械电子工程系, 江西 景德镇 333403; 3. 华中科技大学 电子科学与技术系 教育部敏感陶瓷工程研究中心, 湖北 武汉 430074) 摘 要:随着电子元器件向微型、高灵敏、集成 等方向 发展, 薄膜材 料及器 件在微 机电( M EM S) 系统 中得到 广 泛应 用,而测量压电薄膜特性参数的方法与体材料相比有 很大的不同。介绍了当前测量压 电薄膜特 性参数的两 大 类方 法:直接测量法( 包括气腔压力法、悬臂梁法、激光干涉 法和激 光多普 勒振动 法) 和间接测 量法( 传统 阻抗分 析 法) , 详细分析了这些方法的基本原理、测试表征、应用状 况及存 在的问 题,比 较了这 些方法 的优缺 点,并 对未来 压 电薄膜特性参数的测试表征作了展望。 关键词:压电薄膜; 压电参数;测量方法 中图分类号:T N30; T M 282 文献标识码:A Measurement Methods for Piezoelectric Coefficient of Piezoel ectric Thin Films WANG Qing ping , FAN Y ue-nong , JIANG Sheng lin (1. H ub ei University of E ducation , Physics & Electronics Dept. Wuhan 430205, Ch ina; 2. Jingdezhen Ceramic Institute, M ech anis m & Electronics Dept. , Jingdezhen 333403, China; 3. Dept. of Electronic Science and T ech nology, Engin eering Research Centre for Function al Ceramics MOE H uazhong University of Science and T ech nology, W uhan 430074, Chin a) Abstract: F ilm mater ials and dev ices have been widely used in micr o-electr omechanical sy stem ( M EM S) system wit h the develo pment o f micromation, hig h sensit ivity and integr ation of electr onic devices. But the measurement met ho ds for piezo electric pr operties o f piezoelect ric thin films ar e ver y differ ent fro m those of bulk materials. T wo categ or ies of measur ing piezoelectric pro per ties o f piezoelect ric thin films wer e intr oduced in this paper: direct meas- urement(including pneumatic pr essure r ig, cant ilev er method, laser interfer ometer method and laser Do ppler vibr o- meter met ho d) and indirect measur ement( conventional impedance analy zer ). T he basic pr inciple, measurement char- acter izat ion, applicatio n status and problems wer e all illustrated in this paper, t he adv antag es/disadv antag es o f these techniques wer e co mpar ed fo r piezoelectr ic applicatio ns and the futur e dev elo pment of measurement characterization of piezo electr ic thin f ilms w ere predicted. Key words: piezoelect ric thin film; piezoelectr ic coefficient; measurement methods 压电薄膜作为一种很有前景的材料被广泛应 目前, 对于薄膜压电参数的测量方法有很多种, 用在微机电系统( MEM S) 中, 比如微致动器、微泵、 本文主要选取几种可靠性较好, 精度较高的方法加 化学传感器及移动通信中的射频滤波器 等。对 以介绍。这些方法主要分为直接测量法和间接测量 MEM S 器件中压电薄膜的研究有助于新器 件的建 法两类。前者利用正逆压电效应, 直接检测到由外 模和设计, 因此, 准确测量压电薄膜的特性参数十分 加电场产生的位移或施加负载产生的电荷, 由此可 重要。由于薄膜受衬底材料的影响, 其压电特性的 导出逆压电参数( d 33 ) 或横向压电系数( e 31 ) 。间接 表征与体材料相比有很大的不同。目前, 国内对薄 测量法利用正压电效应来研究薄膜的机械特性( 应 膜材料的压电测试表征极少, 国外对薄膜压电参数 力和应变) 和电学特性 ( 电压和电荷) 间的联系。本 的测试已做了很多工作, 建立了很多 创新技术; 然 文主要对当前测量压电薄膜特性参数的各种方法进 而, 文献报道中数据差异非常大, 这意味着很多测试 技术是不准确和不可靠的。因此迫切需要提出一种 1 直接测量法 能被人们广泛接受的标准的测量压电薄膜特性参数 1. 1 气腔压力法 的方法。 气腔压力法是利用气压产生电荷, 看上去简单 1,3 2,3 3 1,3 2,3 3 [14] 行了分析和比较。
纳米材料的制备与表征方法摘录 作者姓名：彭家仁 单位：五邑大学广东江门 摘要:被誉为“21世纪最有前途的材料”的纳米材料同信息技术和生物技术一样已经成为21世纪社会经济发展的三大支柱之一和战略制高点。由于纳米材料的特殊结构以及所表现出来的特异效应和性能,使得纳米材料具有不同于常规材料的特殊用途。本文就纳米材料的结构特性和性能、应用及制备方法与表征进行了综述。旨在为纳米材料的应用及其制备提供理论指导。 关键词:纳米材料;结构特性;特异效应；应用;制备方法 Methods of Preparation and Characterization of nano-materials Kevin Peng (WUYI University Jiangmen Guangdong) Abstract:The nano-materials known as“the most promising material in the21st century”along with the information technology and the biotechnology has become one of the three pillars of the socio-economic development and the strategic high ground in the21st century.Because of the special structure of the nano-materials,as well as its specific effects and performance,thenano-materials have the special purposes other than the conventional materials. In this paper,we search for the structural properties,specific effect and the performance and the Synthesis and Characterization of nano-materials.The purpose is to provide theoretical guidance for the application and preparation of nano-materials. Keywords:nano-materials;structural properties;specific effect;applications;preparation methods 0前言 从人类认识世界的精度来看,人类的文明发展进程可以划分为模糊时代(工业革命之前)、毫米时代(工业革命到20世纪初)、微米和纳米时代(20世纪40年代开始至今)。自20世纪80年代初,德国科学家Gleiter提出“纳米晶体材料”的概念,随后采用人工制备首次获得纳米晶体,并对其各种物性进行系统的研究以来,纳米材料已引起世界各国科技界及产业界的广泛关注。纳米材料是指特征尺寸在纳米数量级(通常指1～100nm)的极细颗粒组成的固体材料。从广义上讲,纳米材料是指三维空间尺寸中至少有一维处于纳米量级的材料。通常分为零维材料(纳米微粒),一维材料(直径为纳米量级的纤维),二维材料(厚度为纳米量级的薄膜与多层膜),以及基于上述低维材料所构成的固体。从狭义上讲,则主要包括纳米微粒及由它构成的纳米固体(体材料与微粒膜)。纳米材料的研究是人类认识客观世界的新层次,是交叉学科跨世纪的战略科技领域。
第26卷 第8期2005年8月 半 导 体 学 报 CHIN ESE J OURNAL OF SEMICONDUCTORS Vol.26 No.8 Aug.,2005 3教育部博士点基金资助项目(批准号:20040532014) 裴立宅 男,1977年出生,博士研究生,从事硅及相关纳米材料的研究.Email :lzpei1977@https://www.doczj.com/doc/029192855.html, 唐元洪 通信联系人,男,1965年出生,教授,博士生导师,从事纳米信息材料的研究.Email :yhtang @https://www.doczj.com/doc/029192855.html, 2004212214收到,2005201224定稿 Ζ2005中国电子学会 硅纳米管的水热法合成与表征 3 裴立宅 唐元洪 陈扬文 郭 池 张 勇 (湖南大学材料科学与工程学院,长沙 410082) 摘要:采用水热法成功合成了新型的硅纳米管一维纳米材料,并采用透射电子显微镜、选区电子衍射分析、能量色散光谱及高分辨透射电子显微镜对合成的硅纳米管进行了表征.研究表明硅纳米管是一种多壁纳米管,为立方金刚石结构,生长顶端呈半圆形的闭合结构,由内部为数纳米的中空结构,中部为晶面间距约0131nm 的晶体硅壁层,最外层为低于2nm 的无定形二氧化硅等三部分组成.关键词:硅纳米管;水热法;结构;表征 PACC :6146;8160C 中图分类号:TN30411 文献标识码:A 文章编号:025324177(2005)0821562205 1 引言 自从碳纳米管[1]及硅纳米线[2,3]等一维纳米材 料被成功合成后,立刻引起了诸多领域科学家的极大关注与浓厚兴趣,一维纳米材料的研究成为了当今基础和应用研究的热点.碳纳米管能否具有金属或半导体特性取决于纳米管的石墨面碳原子排列的螺旋化方向[4,5],然而到目前为止,还没有人成功制备出金属或半导体碳纳米管,因此虽然碳纳米管作为场效应晶体管(FET )及纳米电子集成电路的研究已有报道[6,7],但是碳纳米管在应用上还有很大的局限性.同时由于硅纳米一维材料与现有硅技术极好的兼容性,使其具有代替碳纳米管的潜力.目前已经采用物理及化学方法成功合成了硅的实心一维纳米材料———硅纳米线[8,9],但是由于元素硅的硅键为sp 3杂化,而不是易于形成管状具有石墨结构的sp 2杂化,所以硅的中空一维纳米材料,硅纳米管难于合成.因此,目前在硅纳米管,尤其是自组生长的硅纳米管的合成方面仍是一个极具挑战性的难题.对硅纳米管模型进行理论研究表明硅纳米管可以稳定存在,同时也发现稳定的硅纳米管结构总是具有 半导体性能[10,11].最近Sha 等人[12]以纳米氧化铝沟道(NCA )为衬底模板,以硅烷为硅源、金属Au 为催化剂,于620℃,1450Pa 时通过化学气相沉积催化生长了直径小于100nm 的硅纳米管;J eong 等人[13]在617×10-8Pa 的真空分子束外延生长(MB E )室中于400℃在氧化铝模板上溅射硅原子或硅团簇,并于600或750℃氧化处理后制备了直径小于100nm 的硅纳米管.虽然目前模板法可以制得硅纳米管,但是此法制备过程较复杂,需要模板及金属催化剂,同时实质上所得硅纳米管是硅原子在模板内壁无序堆积形成的. 水热法是制备纳米粉末的常用方法,对于制备具有一维结构的纳米材料鲜有报道.水热法成功合成了碳纳米丝及碳纳米管[14,15]表明,此法在制备一维纳米材料方面也有极大的应用潜力.水热法具有成本低廉、容易操作控制及可重复性好等特点.本文报道在没有使用催化剂及模板的前提下,采用高压反应釜,在超临界水热条件下合成了自组生长的一维纳米硅管,并用TEM ,EDS ,SA ED 和HR TEM 对其结构及成分进行了表征.这是一种真正意义上的硅纳米管,对于组装纳米器件具有重大的应用与研究意义.
压电薄膜技术 1压电薄膜概述 体材料（单晶和陶瓷）构成的压电器件因受尺寸限制，应用频率一般比较低，压电薄膜可大大提高工作频率。压电薄膜兼有单晶和陶瓷的优点：即表面光滑致密，容易制造，价格低廉，便于调变，性能可靠稳定。此外，使用薄膜，可以通过调节薄膜厚度，基片类型和电极形式来调整器件的性能。更重要的是，使用薄膜可以使压电器件到的平面化和集成化，使压电材料与半导体材料紧密结合，实现压电与载流子、声波与光波的相互作用，制成各种新型压电与声光的单片集成器件。一般压电薄膜可以通过特殊方法实现与微机电系统工艺的结合，制造成为微机电系统意义上的微型传感器和执行器。此类微型传感器贴在物体表面，在机器人上做触觉传感器可感知温度、压力，采用不同模式可以识别边角、棱等几何特征，同时这用材料具有热放电效应，可用做温度传感器。目前，压电陶瓷薄膜已经在惯性器件、声表面波器件等方面得到广泛应用，成为微定位、微驱动的主要解决方法。 常见的压电薄膜材料主要包括具有铁电性的PZT薄膜、BaTiO3薄膜等，以及不具有铁电性的ZnO薄膜、AlN薄膜等。虽然铁电薄膜的压电效应比非铁电性压电薄膜强，但使用较多的还是ZnO和AlN等非铁电薄膜。 该类非铁电性压电薄膜的始于1963年美国Bell实验室用CdS薄膜实现VHF和UHF频带的体超声波换能器的研究成果。此后，1965年采用反应溅射制备了ZnO压电薄膜。1968年Wauk和Winslow采用蒸发的方法在氮气和氨气气氛中蒸镀金属Al得到AlN压电薄膜。1979年日本的Shiosaki采用射频磁控溅射在玻璃和金属基板上制备了性能较好的AlN压电薄膜，其声表面波机电耦合系数可达0.09%~0.12%。20世纪70年代，CdS薄膜和ZnO薄膜已经走向实用化阶段。 AlN作为宽带隙的直接帯隙半导体，是一种重要的蓝紫光的发光材料。同时，因具有高热导率、高硬度、高熔点和高化学稳定性、大的击穿场强和低介电损耗，尤其是AlN与Si、GaAs等常用半导体材料的线膨胀系数相近及兼容性好等特点，AlN薄膜可用于高温、高功率的微电子器件。此外，在所有无机非铁电性压电材料中，声表面波沿AlN晶体c轴方向的传输速率最大。因此，具有良好取向的AlN薄膜可用来制作优良的声表面波器件和体波器件。 2压电效应简介 在电场作用下，晶体中的带电粒子可以相对位移而发生极化。在应力作用下，晶体中的带电粒子也发生相对位移。对某些晶体，带电粒子相对位移后正负电荷中心不再重合，因而发生极化，在其两端表面上出现符号相反的束缚电荷，并且面电荷密度与应力之间为线性关系。这种由机械应力面产生表面电荷的效应，称为正压电效应。晶体的这一性质就称为压电性。当晶体受到电场作用时它的某些方向上出现应变，且应变与场强之间是线性相关的，这种现象称为逆压电效应。 正压电效应是由于晶体在机械力作用下发生形变，而引起带电粒子的相对位移，使晶体的总电矩发生变化而造成的。晶体是否具有压电性是由晶体结构的对称情况决定的。若晶体具有对称中心，它不可能具有压电性；因为这种晶体中，正负电荷中心的对称排列不会因形变而破坏。所以，机械力的作用不能使它发生极化。具有对称中心的晶体，其总电矩始终为零，因而不可能具有压电性。 3结构初探 真空沉积的压电薄膜通常是高度多晶的。各微晶间有程度不同的错向。每个微晶就是一
压电陶瓷及其测量原理 近年来，压电陶瓷的研究发展迅速，取得一系列重大成果，应用范围不断扩大，已深入到国民经济和尖端技术的各个方面中，成为不可或缺的现代化工业材料之一。由于压电材料的各向异性，每一项性能参数在不同的方向所表现出的数值不同，这就使得压电陶瓷材料的性能参数比一般各向同性的介质材料多得多。同时，压电陶瓷的众多的性能参数也是它广泛应用的重要基础。 （一）压电陶瓷的主要性能及参数 （1）压电效应与压电陶瓷 在没有对称中心的晶体上施加压力、张力或切向力时，则发生与应力成比例的介质极化，同时在晶体两端将出现正负电荷，这一现象称为正压电效应；反之，在晶体上施加电场时，则将产生与电场强度成比例的变形或机械应力，这一现象称为逆压电效应。这两种正、逆压电效应统称为压电效应。晶体是否出现压电效应由构成晶体的原子和离子的排列方式，即晶体的对称性所决定。在声波测井仪器中，发射探头利用的是正压电效应，接收探头利用的是逆压电效应。 （2）压电陶瓷的主要参数 1、介质损耗 介质损耗是包括压电陶瓷在内的任何电介质的重要品质指标之一。在交变电场下，电介质所积蓄的电荷有两种分量：一种是有功部分（同相），由电导过程所引起；另一种为无功部分（异相），由介质弛豫过程所引起。介质损耗是异相分量与同相分量的比值，如图 1 所示，C I 为同相分量，R I 为异相分量，C I 与总电流 I 的夹角为δ，其正切值为 CR I I C R ωδ1 tan == 其中ω 为交变电场的角频率，R 为损耗电阻，C 为介质电容。
图 1 交流电路中电压-电流矢量图（有损耗时） 2、机械品质因数 机械品质因数是描述压电陶瓷在机械振动时，材料内部能量消耗程度的一个参数，它也是衡量压电陶瓷材料性能的一个重要参数。机械品质因数越大，能量的损耗越小。产生能量损耗的原因在于材料的内部摩擦。机械品质因数m Q 的定义为： π2 的机械能 谐振时振子每周所损失能谐振时振子储存的机械?=m Q 机械品质因数可根据等效电路计算而得 11 1 11 R L C R Q s s m ωω= = 式中1R 为等效电阻（Ω），s ω 为串联谐振角频率（Hz ），1C 为振子谐振时的等效电容（F ），1L 为振子谐振时的等效电感。m Q 与其它参数之间的关系将在后续详细推导。 不同的压电器件对压电陶瓷材料的m Q 值的要求不同，在大多数的场合下（包括声波测井的压电陶瓷探头），压电陶瓷器件要求压电陶瓷的m Q 值要高。 3、压电常数 压电陶瓷具有压电性，即在其外部施加应力时能产生额外的电荷。其产生的电荷与施加的应力成比例，对于压力和张力来说，其符号是相反的，电位移 D （单位面积的电荷）和应力σ 的关系表达式为：dr A Q D == 式中 Q 为产生的电荷（C ），A 为电极的面积（m 2），d 为压电应变常数（C/N ）。 在逆压电效应中，施加电场 E 时将成比例地产生应变 S ，所产生的应变 S 是膨胀还是收缩，取决于样品的极化方向。
第11卷 第2期2005年5月 电化学 ELECTROCHE M ISTRY V o.l 11 N o .2M ay 2005 文章编号:1006-3471(2005)02-0152-05 收稿日期:2004-11-02,*通讯联系人T el :(86-592)2185905,E -m a il :qfdong @x m u .edu .cn 973项目(2002CB211800),国家自然科学基金(20373058),福建省科技项目(2003H 044)资助 碳纳米管复合材料的制备、表征和电化学性能 董全峰* ,郑明森,黄镇财,金明钢,詹亚丁,林祖赓 (厦门大学化学系,厦大宝龙电池研究所,固体表面物理化学国家重点实验室,福建厦门361005) 摘要: 作为锂离子电池负极材料,碳纳米管和金属锡或其氧化物都曾引起过人们浓厚的兴趣,但由于其自 身的缺陷,这些材料均未能得到进一步的发展.本文以不同方法合成了碳纳米管和金属锡或其氧化物的复合材料,对其结构、形貌进行表征,并考察它的电化学性能. 关键词: 碳纳米管; 复合材料;制备;电化学性能中图分类号: O 646;T M 911 文献标识码: A 碳纳米管(CNT )是一种新型的碳材料[1,2] .碳纳米管在结构上与其它的碳材料有很大的不同,它不仅具有典型石墨层状结构(管壁),同时又具有无序碳的结构(内外表面的碳层及所附着的无序碳微粒),还具有与MC MB 类似的内腔结构,而且表面及边缘又存在结构缺陷,管与管之间为纳米间隙,管中还存在部分的H 原子掺杂.在制备上,碳纳米管可以通过控制一定的反应条件来调控它的几何结构参数,如管的管壁,外径、内径大小,及管的长度.基于其特殊的结构和高的导电率,吸引了众多研究者开展了大量研究工作,希望它能成为新一代锂离子电池“理想”的负极材料[3,4] . 由于碳纳米管的高比表面及其结构缺陷,锂不仅能嵌入管中的石墨层,还能嵌入它的孔隙及边缘缺陷中,使得它尽管具有高的嵌锂容量,但由于比表面积较大而表现出很大的不可逆容量.又因为在碳纳米管的结构中含有氢原子以及管壁层间和管 腔之内有间隙碳原子的存在[5] ,故其嵌锂容量出现较大的滞后现象.这些都限制了C NT 作为电极活性材料在实际中的应用,所见者只是被用作电极添加剂的报道.本文综合了碳纳米管和锡基材料的优点,规避其本身固有的缺陷,在碳纳米管的表面沉积/包覆锡或氧化锡形成CNT 复合材料,这样不仅可减少碳纳米管的比表面积,同时直接采用金属锡取代锡基氧化物,不存在氧化物的还原过程,从 而大大降低初次充电不可逆容量损失;通过控制反应条件在表面沉积过程中包覆纳米级的锡,使表面沉积/包覆锡的碳纳米管能在保持高容量的同时,也具有良好的循环寿命.此外,还提高了它的体积能量密度. 1 实 验 1.1 碳纳米管的制备 应用Sol -ge l 法制备N i -M g -O 催化剂,方法见文献[6],所用试剂N i (NO 3)2 6H 2O 、M g (NO 3)2 6H 2O 和柠檬酸均为分析纯(上海化学试剂有限公司).将制备好的催化剂称取一定量置于陶瓷舟内,放在反应器的恒温区内,于氢气氛下缓慢升温至700℃,还原一段时间后,降温到600℃稳定10m in ,然后以20m L /m i n 的流量导入C H 4气体,经反应一定时间后自然冷却至室温(冷却过程中继续通气体).用分析纯硝酸(上海化学试剂有限公司,AR 65%)处理反应后的样品,洗涤、烘干后即得到碳纳米管.反应装置是在一个水平放置的管式电炉内放一内径为5c m 的石英管(长140c m ),其恒温区为20c m ,电炉为SK -2-4-12型管式电阻炉(上海实验电炉厂),额定功率4k W ,额定温度1200℃,控温装置为A1-708P A 型程序控温仪(厦门宇光电子技术研究所),流量计为D08-4C /Z M 质量流量控制仪(北京建中机器厂).
压电薄膜传感器工作原理以及应用 压电薄膜拥有独一无二的特性，作为一种动态应变传感器，非常适合应用于人体皮肤表面或植入人体内部的生命信号监测。一些薄膜元件灵敏到足以隔着外套探测出人体脉搏。本文将着重介绍几种压电薄膜在生命特征监护方面的典型应用。 工作原理当你拉伸或弯曲一片压电聚偏氟乙烯PVDF高分子膜（压电薄膜），薄膜上下电极表面之间就会产生一个电信号（电荷或电压），并且同拉伸或弯曲的形变成比例。一般的压电材料都对压力敏感，但对于压电薄膜来说，在纵向施加一个很小的力时，横向上会产生很大的应力，而如果对薄膜大面积施加同样的力时，产生的应力会小很多。因此，压电薄膜对动态应力非常敏感，28μm厚的PVDF的灵敏度典型值为10~15mV/微应变（长度的百万分率变化）。 使用‘动态应力’这个术语是因为形变产生的电荷会从与薄膜连接的电路流失，所以压电薄膜并不能探测静态应力。当需要探测不同水平的预应力时，这反而成为压电薄膜的优势所在。薄膜只感受到应力的变化量，最低响应频率可达0.1Hz。 压电薄膜传感器简介压电薄膜传感器拥有独一无二的特性，作为一种动态应变传感器，非常适合应用于人体皮肤表面或植入人体内部的生命信号监测。一些薄膜元件灵敏到足以隔着外套探测出人体脉搏。工采网将着重介绍几种压电薄膜在生命特征监护方面的典型应用。 压电薄膜传感器工作原理当你拉伸或弯曲一片压电聚偏氟乙烯PVDF高分子膜（压电薄膜），薄膜上下电极表面之间就会产生一个电信号（电荷或电压），并且同拉伸或弯曲的形变成比例。一般的压电材料都对压力敏感，但对于压电薄膜来说，在纵向施加一个很小的力时，横向上会产生很大的应力，而如果对薄膜大面积施加同样的力时，产生的应力会小很多。因此，压电薄膜对动态应力非常敏感，28μm厚的PVDF的灵敏度典型值为10~15mV/微应变（长度的百万分率变化）。 使用‘动态应力’这个术语是因为形变产生的电荷会从与薄膜连接的电路流失，所以压电薄膜并不能探测静态应力。当需要探测不同水平的预应力时，这反而成为压电薄膜的优势
纳米材料的制备以及表征 纳米科技作为21世纪的主导科学技术，将会给人类带来一场前所未有的新的工业革命。纳米科技使我们人类认识和改造物质世界的手段和能力延伸到原子和分子。纳米材料是目前材料科学研究的一个热点，纳米材料是纳米技术应用的基础。科学家们正致力于研究对纳米材料的组成、结构、形态、尺寸、排列等的控制，以制备符合各种预期功能的纳米材料。 低维纳米材料因其具有独特的物理化学特性以及在各个同领域的广泛应用 而受到国内外许多科研小组的广泛关注。钒氧化物纳米材料因为具有良好的催化性能、传感特性及电子传导特性而成为研究低维纳米材料物理化学现象的理想体系。尤其是对钒氧化合物纳米线、纳米带、纳米管的结构与性能的研究日益深入。另外，稀土正硼酸盐纳米材料因其独特的发光性能、电磁性能引起了广大科研小组的浓厚兴趣，是低维纳米材料领域研究的一个热点内容。 1.绪论 1.1纳米材料的发展概况 早在60年代，东京大学的久保良吾(Kubo)就提出了有名的“Kubo效应”， 认为金属超微粒子中的电子数较少，而不遵守Femri统计，并证实当结构单元变得比与其特性有关的临界长度还小时，其特性就会发生相应的变化。70年代末80年代初，随着干净的超微粒子的制取及研究，“Kubo效应”理论日趋完善， 为日后纳米技术理论研究打下了基础。人们对纳米颗粒的结构、形态和特性进行了比较系统的研究，描述金属微粒费密面附近电子能级状态的久保理论日趋完善，并且用量子尺寸效应成功地解释了超微粒子的某些特性[3]。最早使用纳米颗粒 制备三维块体试样的是德国萨尔兰大学教授H.Gletier，他于1984年用惰性气体蒸发、原位加压法制备了具有清洁表面的纳米晶Pd、cu、Fe等[4]，并从理论及性能上全面研究了相关材料的试样，提出了纳米晶材料的概念，成为纳米材料的创始者。1987年美国Argon实验室sigeel博士课题组用相同方法制备了纳米陶 瓷TIOZ多晶体。纳米技术在80年代末和90年代初得到了长足发展，并逐步成为一个纳米技术体系。1990年7月，第一届国际纳米科技会议在美国巴尔的摩 召开，标志着纳米科学技术的正式诞生;正式提出了纳米材料学、纳米生物学、
压电薄膜（触摸、力度）按键 刘玲 （贝辛电子科技（上海）有限公司, 上海 200092） 摘要：提出一种新的压电薄膜按键，超薄（厚度仅有0.2mm，体积小、重量轻），柔性（可以自由弯曲，在曲面仪表仪器，衣服等纺织物上使用），能识别力度大小（增加按键在三维力度上的控制，用多力度按键代替多个按键，从而减少按键数量），能实现触摸控制（不需要制作单独的电容滑条，在现有按键基础上直接实现，更加节省空间，比电容按键更加节省功耗），其扩大的应用领域的同时，带来了全新的体验。 关键词：压电薄膜按键，触摸按键，力度按键，压电按键 按键一般用于控制一个电路是否有电信号产生或者电信号流向，最常见的表现形态就是开关。传统按键主要分硅胶按键、薄膜按键和电容按键，这些按键在生活中有着广泛的应用。 1.硅胶按键 所谓的硅胶按键，顾名思义就是以硅胶为原材料制作的按键。硅胶按键属于硅胶制品的一个产品种类，具有优良的耐热性、耐寒性、电气绝缘性等特点，常被运用在电子计算器、遥控系统、电话机、无线电话机、电脑键盘、学习机按键、密码器按键、数码产品按键当中。 图1 硅胶按键的外观图
硅胶本身是是绝缘的，但是在按键方面的应用需要却需要硅胶按键具备导电性能，如何解决这一问题呢？其实很简单，只需要在硅胶按键的底部添加一个导电基面就可以实现。未按下按键的时候，按键底部的导电基与电路板上的铜箔未接触，此时电路处于开路状态。当在硅胶按键顶面施加一定的力，使其按键的导电基向电路板上的铜箔移动，直至导电基与铜箔紧密接触，此时，电流通过导电基流向另一片铜箔，电路导通。下面通过图例，更形象的描述硅胶案件的工作原理： 图2 硅胶按键的结构图 图3 硅胶按键的工作原理 硅胶按键因其成熟工艺，良好的手感舒适度，低廉的价格广泛的运用在众多的产品中。但只有30万次的寿命是其致命的弱点，除此之外，其结构复杂，笨重等缺点，很难满足现代家用电器和数码电子产品对美观的要求。 2.薄膜按键（开关） 由于薄膜按键具有体积小、重量轻、功能全面、外观新颖等一系列特点，且顺应了机电产
压电陶瓷性能参数解析 Document number：NOCG-YUNOO-BUYTT-UU986-1986UT
在机械自由条件下，测得的介电常数称为自由介电常数，在εT表示，上角标T表示机械自由条件。在机械夹持条件下，测得的介电常数称为夹持介电常数，以εS表示，上角标S表示机械夹持条件。由于在机械自由条件下存在由形变而产生的附加电场，而在机械受夹条件下则没有这种效应，因而在两种条件下测得的介电常数数值是不同的。 根据上面所述，沿3方向极化的压电陶瓷具有四个介电常数，即ε11T，ε33T，ε11S，ε11S。 （2）介质损耗 介质损耗是包括压电陶瓷在内的任何介质材料所 具有的重要品质指标之一。在交变电场下，介质 所积蓄的电荷有两部分：一种为有功部分（同 相），由电导过程所引起的；一种为无功部分 （异相），是由介质弛豫过程所引起的。介质损 耗的异相分量与同相分量的比值如图1-1所示， Ic为同相分量，IR为异相分量，Ic与总电流I 的夹角为δ，其正切值为 (1-4) 式中，ω为交变电场的角频率，R为损耗电阻，C为介质电容。由式（1-4）可以看出，I R大时，tanδ也大；I R小时tanδ也小。通常用 tanδ来表示的介质损耗，称为介质损耗正切值或损耗因子，或者就叫做介质损耗。 处于静电场中的介质损耗来源于介质中的电导过程。处于交变电场中的介质损耗，来源于电导过程和极化驰豫所引起的介质损耗。此外，具有铁电性的压电陶瓷的介质损耗，还与畴壁的运动过程有关，但情况比较复杂，因此，在此不予详述。 （3）弹性常数 压电陶瓷是一种弹性体，它服从胡克定律：“在弹性限度范围内，应力与应变成正比”。设应力为T，加于截面积A的压电陶瓷片上，其所产生的
报告 课程名称纳米科学与技术专业班级电气1241 姓名张伟 学号32 电气与信息学院 和谐勤奋求是创新
纳米材料的测试与表征 摘要：介绍了纳米材料的特性及测试与表征。综合使用各种不同的分析和表征方法，可对纳米材料的结构和性能进行有效研究。 关键词：测试技术；表征方法；纳米材料 引言 纳米材料具有许多优良的物理及化学特性以及一系列新异的力、光、声、热、电、磁及催化特性，被广泛应用于国防、电子、化工、建材、医药、航空、能源、环境及日常生活用品中，具有重大的现实与潜在的高科技应用前景。纳米材料的化学组成及其结构是决定其性能和应用的关键因素，而要探讨纳米材料的结构与性能之间的关系，就必须对其在原子尺度和纳米尺度上进行表征。其重要的微观特征包括：晶粒尺寸及其分布和形貌、晶界及相界面的本质和形貌、晶体的完整性和晶间缺陷的性质、跨晶粒和跨晶界的成分分布、微晶及晶界中杂质的剖析等。如果是层状纳米结构，则要表征的重要特征还有：界面的厚度和凝聚力、跨面的成分分布、缺陷的性质等。总之，通过对纳米材料的结构特性的研究，可为解释材料结构与性能的关系提供实验依据。 纳米材料尺度的测量包括：纳米粒子的粒径、形貌、分散状况以及物相和晶体结构的测量；纳米线、纳米管的直径、长度以及端面结构的测量和纳米薄膜厚度、纳米尺度的多层膜的层厚度的测量等。适合纳米材料尺度测量与性能表征的仪器主要有：电子显微镜、场离子显微镜、扫描探测显微镜Χ光衍射仪和激光粒径仪等。 紫外和可见光谱是纳米材料谱学分析的基本手段，分为吸收光谱、发射光谱和荧光光谱。吸收光谱主要用于监测胶体纳米微粒形成过程；发射光谱主要用于对纳米半导体发光性质的表征，荧光光谱则主要用来对纳米材料特别是纳米发光材料的荧光性质进行表征。红外和喇曼光谱的强度分别依赖于振动分子的偶极矩变化和极化率的变化，因而，可用于揭示纳米材料中的空位、间隙原子、位错、晶界和相界等方面的信息。纳米材料中的晶界结构比较复杂，与材料的成分、键合类型、制备方法、成型条件以及热处理过程等因素均有密切的关系。喇曼频移与物质分子的转动和振动能级有关，不同的物质产生不同的喇曼频移。喇曼频率特征可提供有价值的结构信息，利用喇曼光谱可以对纳米材料进行分子结构、键态特征分析和定性鉴定等。喇曼光谱具有灵敏度高、不破坏样品、方便快速等优点，是研究纳米材料，特别是低维纳米材料的首选方法。 目前对纳米微观结构的分析表征手段主要有扫描探针显微技术，它包括扫描隧道电子显微镜、原子力显微镜、近场光学显微镜等。利用探针与样品的不同相互作用，在纳米级至原子级水平上研究物质表面的原子和分子的几何结构及与电子行为有关的物理、化学性质。例如用STM不仅可以观察到纳米材料表面的原子或电子结构，还可以观察表面存在的原子台阶、平台、坑、丘等结构缺陷。高分辨电子显微镜用来观察位错、孪晶、晶界、位错网络等缺陷，核磁共振技术可以用来研究氧缺位的分布、原子的配位情况、运动过程以及电子密度的变化；用核磁共振技术可以研究未成键电子数、悬挂键的类型、数量以及键的结构特征等。 测试技术的发展 纳米测试技术的研究大致分为三个方面：一是创造新的纳米测量技术，建立新理论、新方法；二是对现有纳米测量技术进行改造、升级、完善，使它们能适应纳米测量的需要；三是多种不同的纳米测量技术有机结合、取长补短，使之能适应纳米科学技术研究的需要。纳米测试技术是多种技术的综合，如何将测试技术与控制技术相融合，将探测、定位、测量、控制、信号处理等系统结合在一起构成一个大系统，开发、设计、制造出实用新型的纳米测量系统，是亟待解决的问题，也是今后发展的方向。随着纳米材料科学的发展和纳米制备技术的进步，将需要更新的测试技术和手段来表征、评价纳米粒子的粒径、形貌、分散和团聚
物理化学学报(Wuli Huaxue Xuebao ) Acta Phys.鄄Chim.Sin .,2007,23(2)：145-151 Received:August 9,2006;Revised:November 7,2006.English edition available online at https://www.doczj.com/doc/029192855.html, ? Corresponding author.Email:qingchen@https://www.doczj.com/doc/029192855.html,;Fax:+8610?62757555.国家自然科学基金委国际合作项目(60440420450)、高等学校博士学科点专项科研基金(20050001055)和新世纪优秀人才支持计划资助 ?Editorial office of Acta Physico ?Chimica Sinica [Article] https://www.doczj.com/doc/029192855.html, February 碳纳米管/ZnO 纳米复合体的制备和表征 杨闵昊 梁涛彭宇才陈 清? (北京大学电子学系,纳米器件物理与化学教育部重点实验室,北京 100871) 摘要： 通过将不同直径的ZnO 纳米颗粒与碳纳米管连接制备了碳纳米管/ZnO 纳米复合体.将团聚的ZnO 纳 米颗粒分散并用表面活性剂CTAB 使纳米颗粒带正电.化学氧化碳纳米管使其带负电.ZnO/CTAB 微团通过碳管表面羧基与CTAB 的静电作用与碳纳米管连接形成纳米复合体.研究了复合体形成的不同实验条件,表征了碳纳米管/ZnO 纳米复合体的结构并研究了纳米复合体的光学特性.研究表明,与碳纳米管连接的ZnO 纳米颗粒是互不连接的并保持量子点的特性.光致发光研究表明ZnO 纳米颗粒的激发在纳米复合体中有淬灭.关键词：ZnO ；碳纳米管；纳米复合体中图分类号：O648 Synthesis and Characterization of a Nanocomplex of ZnO Nanoparticles Attached to Carbon Nanotubes YANG Min ?Hao LIANG Tao PENG Yu ?Cai CHEN Qing ? (Key Laboratory for the Physics and Chemistry of Nanodevices of the Ministry of Education,Department of Electronics, Peking University,Beijing 100871,P.R.China )Abstract ：A CNT/ZnO nanocomplex was fabricated by attaching ZnO nanoparticles with various diameters to carbon nanotubes (CNTs).The as ?prepared agglomerate ZnO nanoparticles were dispersed and positively charged by utilizing a cationic surfactant cetyltrimethylammonium bromide (CTAB).ZnO/CTAB micelles were subsequently anchored to the surface of CNTs by electrostatic interaction between carboxyl groups on the chemically oxidized nanotubes ′sidewalls and CTAB molecules.Different experimental conditions for the attachment were studied.The CNT/ZnO nanocomplex was characterized using structural and optical analysis methods.ZnO nanoparticles attached to the carbon nanotubes were found to be separated from each other maintaining characteristics of quantum dots Photoluminescence study showed that the emission of ZnO nanoparticles was quenched in the nanocomplex.Key Words ：ZnO ；Carbon nanotube ；Nanocomplex Due to their unique physical and chemical properties,car-bon nanotubes (CNTs)have broad applications in nanoelectron-ics [1-6],catalysis [7],sensors [8,9],and biosensors [10].Attaching nanopar-ticles to nanotube sidewalls is expected to enhance the CNT ap-plications as in catalysis,fuel cells,or sensors.Various ap-proaches for CNT/nanoparticle complexes have been suggested,such as physical evaporation [9],chemical reaction with functional ized CNTs [11-16].Materials that have been attached to CNTs in-clude gold [12-14,17,18],platinum [7,14],and palladium [9,19]nanoparticles [15,16],proteins and small biomolecules [20],polymers [21],CdSe ?ZnS core ? shell nanocrystals [22],and ZnO clusters [23,24]. ZnO is a wide band gap (3.37eV)semiconductor having broad applications in room temperature ultraviolet lasing,chem-ical sensors,photovoltaics,piezoelectric transducers,and single electron transistors [25-28].ZnO nanoparticles have been extensive-ly studied over the past years because of their size ?dependent electronic and optical properties [25,26].Combining ZnO nanoparti-cles with CNTs is expected to produce materials with enhanced electronic and optical properties.A couple of groups have start-ed to explore this direction very recently.ZnO nanoparticles 145