纳米晶体材料微细观结构探究

纳米晶材料不仅具有高的强度和硬度，良好的塑性韧性，在声、光、电磁、热力学等特征方面也出现一些新的变化。不仅纳米材料的成分、形貌及物相结构对其性能有重要影响，纳米材料的晶体结构对材料的性能也有着重要的作用。因此，了解纳米晶体材料的晶体结构及其对性能的影响也是纳米材料设计的重要内容之一。

纳米晶体材料是由至少在一个方向上尺寸为几个纳米的结构单元（主要是晶体，包括晶粒和晶界等显微结构）所构成^[42]，纳米晶体结构按照形态可分为各种维度的结构：①零维纳米晶体，即纳米尺寸超微粒子。②一维纳米晶体，即在一维方向上晶粒尺寸为纳米量级，如纳米厚度的薄膜或层片结构。③二维纳米晶体，即在二维方向上晶粒尺寸为纳米量级，如直径在纳米量级的线（或丝）状结构。④三维纳米晶体，指晶粒在三维方向均为纳米尺度。这里我们所指的纳米晶体材料包括纳米薄膜和三维纳米晶体。纳米晶材料是一种非平衡态的结构，常常通过诸如非晶晶化、强烈塑性形变、蒸发与溅射沉积以及沉淀反应方法等多种途径形成，其中存在大量的晶体缺陷和内部界面。纳米材料也可由非晶物质组成，由不同化学成分物相所组成的纳米晶材料，通常称为纳米复合材料。

由上所述，纳米晶体材料的结构特点是：具有纳米尺度结构单元、大量的界面或自由表面以及结构单元与大量界面单元之间存在的交互作用。在结构上，大多数纳米粒子呈现为理想单晶，也有呈现非晶态或亚稳态的纳米粒子。纳米晶体材料的结构上除了存在两种结构单元，即晶体单元和界面单元外，还包括材料内部的各种晶格缺陷。晶体单元由所有晶粒中的原子组成，这些原子严格地位于晶格位置；界面单元由处于各晶粒之间的界面原子组成，这些原子由超微粒子的表面原子转化而来。纳米晶体微结构基本上由三部分组成：一是具有不同取向的晶粒组成的“晶相成分”；二是结构各不相同的晶界和自由表面构成的“界面网络”，其中大量的原子处于晶粒之间的界面上，其界面结构现在通常被认为并不是具有单一的同样的结构，而是多种多样的，纳米材料中的界面存在一个结构上的分布，即从短程有序到界面无序状态；三是晶粒间空隙组成的空隙缺陷网络，纳米晶体材料中的缺陷（实际晶体结构中和理想的点阵结构发生偏差的区域）通常包括点缺陷、线缺陷（如位错）等。大量晶界组成的“界面网络”包括内界面和自由表面以及大量的“空隙”，是纳米固体材料的一个重要特征。图8-8给出了纳米晶体材料的二维原子排列结构示意图^[43]。

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图8-8 纳米晶体材料的二维 原子排列结构示意图

注：黑圈表示晶粒内常规晶格位置上的原子，白圈表示晶界（固体—固体和固体—气体界面）上的原子，没有考虑原子间化学上的差别

纳米晶体微结构不同于常规物质，当材料成为纳米级材料后，材料的表面、界面及晶粒的内部结构都发生了根本性变化，并出现了纳米晶固体的界面效应。所谓纳米晶固体的界面效应，是指由于纳米固体的界面与通常晶粒材料有很大的不同，界面组元的增加使纳米固体中的界面自由能大大增加，界面的离子状态、电子运动传递等与结构有关的性能（力学、热学、电学、磁学等）发生了相当大的变化。纳米微粒及纳米晶体材料具有许多独特的性质正是由其界面微观结构决定的。当然，不同的纳米晶体材料其界面微观结构的影响因素不同，如与纳米材料的种类、粒子尺寸、纳米晶体的分布形态有关，也与纳米粒子的制备方法、制备动力学过程等因素有关。