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1、新 型 功 能 材 料,大连理工大学 无机化学教研室,一、绪论,课程要求与考核方式 授课内容侧重点 材料学与化学的关系 新型材料的种类 常用的表征方法,课程要求与考核方式,考核要求：闭卷考试+平时成绩，在第11周课上当堂考试。 课堂出勤：4次以上不到即为不通过（平时40分）,授课内容侧重点,以知识性、科普性内容介绍为主 联系实际应用前景 侧重材料学中的化学问题 按照材料的种类介绍功能 促进学科交叉，拓宽学生视野,材料是人类社会所能接受的、可经济地制造有用物品的物质。,天然材料,人工材料,人工材料,Materials is the stuff from which a thing is made
2、 for using.,什么是材料(materials)?,材料的分类,用途：结构材料（受力，承载） 功能材料（半导体，超导体，以及光、电、声、磁、应力转换，等）,属性：金属材料、无机非金属材料和有机高分子材料,物理形态：晶体材料、非晶态材料和纳米材料,几何形态：三维材料、二维材料、一维材料和零维材料,发展：传统材料（钢铁，铜，铝，水泥，塑料，陶瓷，. ） 新材料（金属间化合物，高温超导材料，非晶态合金，纳米材料, .）,材料的发展史，就是人类社会的发展史,人类历史的划分,石器时代陶器时代青铜器时代铁器时代。,现代社会,三 大 支 柱,能源、信息和材料（1998）,生物工程，信息技术和新材料,
3、Aluminum in 19th century.,Computer,中国,中东,欧美,石器时代,青铜器时代,铁器时代,电子材料时代,2000,0,1950,1990,2009,9000,500,中国的四大发明：纸、火药、指南针、活字印刷,材料的发展史，就是科学技术的发展史。,材料学的发展引发了现代生活的巨大变化,鍛铝2014（LD10）的力学性能,铝的理论强度为4700MPa，当今高强铝合金的最高强度没有超过1000MPa。,三高一低的结构材料（高强度、高模量、耐高温、低密度),卫星发射，节省1公斤重量将降低费用$20000。,战机,舰船,导弹,火箭,人造卫星,战车,高速列车,汽车,高层 建
4、筑,铝合金的 应用领域,导弹头罩,窗口,窗口材料： 蓝宝石 金刚石 ZnS/金刚石,导弹的眼睛窗口材料（ZnSe, diamond, ）,材料学与化学的关系,化学是一门中心的、实用的和创造性的科学 R. Breslow化学的今天和明天,物质,信息,能源,化学,材料,物理,纳米材料； 表面和界面材料； 多孔材料； 软物质体系； 功能陶瓷材料； 智能材料； 碳材料。,现代发展起来的新型功能材料：,第二章、常用材料分析手段,1）逻辑推理(古代哲学家，432 BC.) 2）宏观形貌观察、观测（by eye, 1669） 3）数学理论计算 4）科学测定（X-ray diffraction, electr
5、on diffraction,等）,1、古代中国： “日取其半，万世不竭” “道生一，一生二，二生三，三生万物”（老子）； “以土与金、木、水、火杂以成百物”（国语正语）； “太极生两仪，两仪生四象，四象生八卦，八卦交而生万物” （易经）,人类对材料微观结构认识的发展过程,2、Europe: Plato (428-348 B.C.) and Euclid (330-275? B.C.),Fire - tetrahedron,Air - octahedron,Ether - dodecahedron,Earth - cube,Water - icosahedron,Snow flake,SOUR
6、CE: W. Bentley & W. Humpbreys, Snow Crystals, (McGraw-Hill Book Company, 1931), p.147.,STRUCTURE OF ICE (H2O),金刚石的形貌,1669, N. Steno, 晶面角守恒定律,材料分析科学的发展过程,1885, A. Bravais, 晶体空间点阵学说,1912, M. Laue, 晶体的X射线衍射,1915, W. H. Bragg and W. L. Bragg X射线晶体结构分析方法,电子显微镜（SEM、TEM）,扫描探针显微术（STM、AFM）,随着现代物理学和电子科学的进步，人们
7、发展了一系列探索材料结构和组成信息的新技术、新方法，对材料的认识也从宏观走向了微观，这极大的推动了材料科学的发展，为新型材料的制备和表征提供了坚实的技术基础。,电子显微学：透射电子显微镜、扫描电子显微镜 能谱学：x射线光电子能谱等 波谱学：红外、紫外-可见、荧光、原子光谱等 传统的热学、力学、电磁学等,显微学最值观的材料分析手段,光学显微学：普通光学显微镜 共聚焦荧光显微镜 电子显微学：透射电子显微镜 扫描电子显微镜 扫描隧道显微镜 原子力显微镜,“耳听为虚，眼见为实”,目前，电子显微镜技术（electron microscopy)已成为研究机体微细结构的重要手段。常用的有透射电镜（trans
8、mission electron microscope，TEM）和扫描电子显微镜（scanning electron microscope,SEM）。 与光镜相比，电镜用电子束代替了可见光，用电磁透镜代替了光学透镜，并使用荧光屏将肉眼不可见电子束成像。,1、透射电子显微镜（TEM）,透射电镜与光镜的比较,1938年，德国工程师Max Knoll和Ernst Ruska制造出了世界上第一台透射电子显微镜（TEM）,光源,中间象,物镜,试样,聚光镜,目镜,毛玻璃,电子镜,聚光镜,试样,物镜,中间象,投影镜,观察屏,照相底板,照相底板,光学显微镜和电镜光路图比较,胸腺细胞,多孔材料的TEM照片,纳米
9、颗粒和纳米线的TEM照片。,冷冻复型技术,化学固定,防冻保护,样品冷 冻和断裂,冷冻蚀刻 和冷冻复型,复型膜剥 离和捞膜,图2,血红细胞的透射电镜和扫描电镜照片比较,图3,图4,TEM缺乏立体感，只能得到平面图像。,2、扫描电子显微镜（SEM）,1935： 法国的卡诺尔提出扫描电镜的设计思想和工作原理。 1942： 剑桥大学的马伦首次制成世界第一台扫描电镜。,巨噬细胞吞噬细菌,疟疾破坏的两个红细胞,（a）芯片导线的表面形貌图， （b）CCD相机的光电二极管剖面图,在微电子工业方面的应用,注射针头的扫描电镜照片,果蝇： 不同倍率的扫描电镜照片,3、扫描隧道（STM）与原子力显微镜（AFM）,19
10、81年比尼格和罗勒发明了扫描隧道显微镜（STM），使人类实现了观察单个原子的原望；他们获得了1986年诺贝尔物理学奖。 1985年比尼格与奎特发明了可适用于非导电样品的原子力显微镜（AFM），也具有原子分辨率，与扫描隧道显微镜一起构建了扫描探针显微镜（SPM）系列。,扫描隧道显微镜：应用电子的“隧道效应”这一原理，对导体或半导体进行观测,探针与样品之间的缝隙就相当于一个势垒，电子的隧道效应使其可以穿过这个缝隙，形成电流，并且电流对探针与样品之间的距离十分敏感，因此通过电流强度就可以知道到探针与样品之间的距离,STM的原理是电子的“隧道效应”，所以只能测导体和部分半导体，AFM则弥补了其不足。,
11、原子间范德华力,探针在氧化硅表面制成的 台湾新竹清华大学材料系徽,4、光学显微镜,普通光学显微镜受到电子显微镜的巨大冲击，但是仍然发挥着巨大作用，尤其是一些具有特殊功能的工业级显微镜和激光共聚焦显微镜。,Optical Microscope,激光共聚焦显微镜,Control,DNA,F-actin,Overlay,本ppt部分照片由中科院过程所魏炜研究员提供,5、x射线衍射仪（XRD）,1895年伦琴（W.C.Roentgen）研究阴极射线管时，发现管的对阴极能放出一种有穿透力的肉眼看不见的射线。由于它的本质在当时是一个“未知数”，故称之为X射线。,X射线的发现和广泛应用是廿世纪科学发展中最伟
12、大成就之一,围绕X射线发现、发展和应用而进行科研工作的科学家获诺贝尔奖的就有近卅人之多,X射线衍射法结构测定,X射线荧光光谱成分分析,1901年 伦琴(英) 获诺贝尔物理奖 1914年 劳埃(德) 获诺贝尔物理奖 1915年 布拉格父子(英) 获诺贝尔物理奖 1936年 德拜(英/荷) 获诺贝尔化学奖 1962年 奥森等3人 获诺贝尔生物奖 1964年 霍奇金(英/埃) 获诺贝尔化学奖 1985年 豪普特曼等2人 获诺贝尔化学奖 ,X-ray Diffraction (Bragg condition),2dsinq = l,l/2,dsinq,Packing mode (ABCABC),七大晶
13、系、 14种Bravais点阵,通过查询PDF卡片得到所需信息,6、电子能谱,根据激发源的不同，电子能谱又分为: X射线光电子能谱(简称 XPS) (X-Ray Photoelectron Spectrometer) 紫外光电子能谱(简称 UPS) (Ultraviolet Photoelectron Spectrometer) 俄歇电子能谱(简称 AES) (Auger Electron Spectrometer),能量关系可表示：,原子的反冲能量,忽略 (0.1eV）得,电子结合能,电子动能,基本原理就是光电效应。,特征：,XPS采用能量为 的射线源，能激发内层电子。各种元素内层电子的结合
14、能是有特征性的，因此可以用来鉴别化学元素。,UPS采用 或 作激发源。 与X射线相比能量较低，只能使原子的价电子电离，用于研究价电子和能带结构的特征。,AES大都用电子作激发源，因为电子激发得到的俄歇电子谱强度较大。,光电子或俄歇电子，在逸出的路径上自由程很短，实际能探测的信息深度只有表面几个至十几个原子层，光电子能谱通常用来作为表面分析的方法。,电子能谱目前主要应用于催化、金属腐蚀、粘合、电极过程和半导体材料与器件等这样一些极有应用价值的领域，探索固体表面的组成、形貌、结构、化学状态、电子结构和表面键合等信息。随着时间的推移，电子能谱的应用范围和程度将会越来越广泛，越来越深入。,原子化学环境
15、的变化对XPS和AES中测量的电子能量都有影响，使之偏离标准值产生所谓的化学位移。根据化学位移的数值，可以给出待测样品的化学状态的信息。,XPS的仪器 Instrumentation for XPS,Ni-P合金的Ni 2p3/2 XPS谱,a 清洁表面； b 1barO2、403K氧化1小时,金属态的镍Ni,较 高 氧 化 态 的 镍 Ni3+,在催化研究中的应用,合成氨催化剂的Fe 2P3/2 芯能级的结合能随还原程度 af而变化。,150,145,140,135,130,Binding Energy (eV),PbO2,Pb3O4,500,400,300,200,100,0,Binding Energy (eV),O,Pb,Pb,Pb,N,Ca,C,Na,Cl,XPS analysis showed that the pigment used on the mummy wrapping was Pb3O4 rather than Fe2O3,Egyptian Mummy 2nd Century AD World Heritage Museum University of Illinois,木乃伊所用的颜料分析,7、分子光谱,分子光谱，包括紫外可见光谱，红外光谱，荧光光谱和拉曼光谱等。光和物质之间的相互作用，使分子对光产生了吸收、发射或散射。将物质吸收
