硅纳米孔柱阵列及其表面铜沉积

采用水热腐蚀技术制备了硅纳米孔柱阵列(silicon nanoporous pillar array, Si-NPA), 并以此为衬底通过浸渍沉积制备出一种具有规则表面结构的铜/Si-NPA纳米复合薄膜(Cu/Si-NPA). 形貌和结构分析表明, Si-NPA是一个典型的硅微米/纳米结构复合体系, 它具有三个分明的结构层次, 即微米尺度的硅柱所组成的规则阵列、硅柱表面密集分布的纳米孔洞以及组成孔壁的硅纳米单晶颗粒. 研究发现, Cu/Si-NPA在形貌上保持了Si-NPA的柱状阵列特征, 薄膜中铜纳米颗粒的致密度随样品表面微区几何特征在柱顶区域和柱间低谷区域的不同而交替变化, 并形成一种准周期性结构. 上述实验现象被认为来源于铜原子的沉积速度对Si-NPA表面微区几何特征的选择性. Si-NPA可以成为合成具有某些特殊图案、结构和功能的金属/硅纳米复合体系的理想模板.     

电沉积制备钯微/纳米结构材料

利用准二维电沉积法, 通过控制不同浓度的PdCl2溶液和沉积电压, 在硅衬底上制备出了钯微/纳米结构材料, 分别用扫描电子显微镜和透射电子显微镜对沉积物的形貌和结构进行了表征. 结果表明, 随着溶液浓度和沉积电压的不同, 沉积物呈现出准阵列、“树枝”状和膜状三种形貌, 溶液的离子浓度和生长电势对于沉积物形貌具有决定性的影响, 这些钯微/纳结构材料均由钯纳米颗粒构成, 属于面心立方结构.     

蜻蜓翅痣中的纳米纤维层状复合材料

通过场发射扫描电子显微镜, 观察了红蜻翅痣的截面, 发现了令人惊奇的纳米纤维层状结构: 套筒状的翅痣中存在厚度为2~3 ?m的夹心层; 夹心层由二十多层超薄纳米层逐层复合而成; 超薄纳米层的厚度大约为90~150 nm; 每层超薄纳米层由平行排列的纳米纤维黏结而成. 奇异的纳米纤维层状结构, 为理解翅痣的功能和仿生制造提供了启示.     

射频等离子法PAN基预氧化纤维微观结构表征

采用扫描电子显微镜(SEM)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、扫描隧道显微镜(STM)、X射线衍射(XRD)等技术, 在微米、纳米及原子尺度下对射频等离子法制备的预氧化纤维微观结构进行了表征. 首先将聚丙烯腈(PAN)原丝样品在富氧溶剂中浸泡并用射频电场极化, 然后在射频氧等离子体环境中进行预氧化. 与未浸泡处理且采用常规电炉法制备的预氧化纤维比较, 微米尺度下的SEM形貌显示, 这种预氧化纤维表面微纤间的皱褶较浅且较整洁圆滑, 径向结构的不均匀性得到改善; XRD计算结果表明, 石墨化度和微晶尺寸有所增大, 层间距则有所减小. 同时, 在纳米尺度下的HRTEM图像中观察到等离子法制备的预氧化纤维(002)晶面的晶格条纹和晶格边缘; 在纳米及原子尺度下的STM图像中探测到组成微纤的超微纤丝具有相互缠结、呈轴向伸展的左螺旋结构, 其表面原子具有取向排列趋势.结果表明, 该等离子法可使原丝内外氧化趋于一致, 有利于改善预氧化纤维的径向结构差异.     

Ru(0001)表面石墨烯的外延生长及其担载纳米金属催化剂的研究

采用室温下吸附乙烯结合高温退火的方法在Ru(0001)表面上制备了单层石墨烯结构. 利用扫描隧道显微镜(STM)、X射线光电子能谱(XPS)和紫外光电子能谱(UPS)研究了石墨烯的生长过程以及石墨烯的表面形貌和结构. 以单层石墨烯为模板, 制备了尺寸和空间分布比较均一的Pt纳米团簇.     

外围全氟取代的1, 3, 5-三苯乙烯基苯: 真空沉积膜的表面形貌与疏水性能

报道了全反式-1, 3, 5-三(2′, 3′, 4′, 5′, 6′-五氟苯乙烯基)-苯(TPFSB)的合成及其真空沉积膜的性能. 原子力显微镜(AFM)观测发现, 真空沉积在石英衬底上的TPFSB薄膜的表面形貌依赖于薄膜厚度, 厚度小于30 nm时, 薄膜呈现孤岛状生长模式; 当厚度大于30 nm时, 衬底表面大部分被覆盖, 表面形貌呈现微纳米镶嵌的等级结构. 当薄膜厚度从40 nm增大到100 nm, 衬底温度从30℃升高到70℃时, 这种等级结构保持不变, 表现出良好的形态稳定性. 在50 nm厚的薄膜表面, 10 mg水滴的接触角为149°, 证明薄膜具有优良的疏水性能.     

天然纤维素物质模板制备功能纳米材料研究进展

自然生物物质特殊的天然结构赋予其人工材料所难以比拟的优异功能,是构建人造功能纳米结构材料理想的模板物质.天然纤维素物质作为一种常见的天然高分子化合物,从宏观到分子层次的独特阶层结构及其在纳米层级上的多孔网状形貌可期赋予以其为模板而制备的有关人造材料独特的性质和功能.以纳米层级的精度和客体基质(无机和有机的)精确复制自然纤维素物质,能够最大限度地把其优异性能(如多孔隙结构和高内表面积)引入到相应的人造材料中去.应用表面溶胶-凝胶方法可以在纤维素物质的纳米纤维表面以纳米级别的厚度可控沉积金属氧化物凝胶薄膜,特定功能的客体物质能够进一步地表面组装于其上;继之以合适的方法去除纤维素模板成分即得到相应的具有纤维素物质阶层状结构和形貌的人造功能材料.本文简述了以此为基础设计和构建新型纳米结构材料(如金属氧化物及其复合纳米材料、聚合物纳米材料、硅和金属纳米材料等)的研究进展.以自然纤维素物质为模板或支架开发功能材料是一条获得新型功能纳米材料的简便、低成本和对环境友好的捷径.     

扫描隧道显微镜对黄铁矿表面微形貌的研究及成矿动力学意义

应用扫描隧道显微镜观测不同自然产状和人工合成的黄铁矿晶面，发现了豆粒状，藕节状生长丘，及平滑生长台阶和螺旋生长台阶等一组晶体表面微形貌结构现象，黄铁矿生长表面的微形貌特征与其形成和合成的热力学条件，动力学环境存在一定关系，因此认为具有成因意义。     

铁掺杂氧化锌纳米悬臂阵列的拉曼光谱与发光特性研究

通过简单的热蒸发Zn-Fe-C-O混合物前躯体的方法, 合成出单晶结构的Fe掺杂氧化锌(ZnO)纳米悬臂阵列体系, 并对样品的形貌、化学成分和微观结构进行了表征. 发现所得样品的形貌为梳子状, 齿子规则地分布在主干一侧, 间距为几十纳米. XPS和拉曼光谱证明, Fe离子替代式掺入ZnO晶格(即小部分Zn被Fe取代). 室温光致发光测试发现, 随着Fe离子的掺入, 绿光激发峰有明显的红移现象, 而发射强度却急剧减弱.     

功能生物界面的“微纳尺度构建-功能-力学耦合”机制

功能生物界面由于其呈现出的独特功能引起研究者的极大兴趣,而微纳尺度结构是其关键结构基元,它们是界面特定功能的内在本质.然而直到目前描述刻画特定功能的整个形成过程依旧困难.越来越多的证据开始支持功能生物界面上的"微纳尺度构建-功能-力学耦合"的论点.本文重点介绍不同微纳尺度复合功能生物界面上的"形貌和力学耦合行为",以获得对微米纳米复合结构更好的理解.还介绍了自然界中生物体表气/液/固三相生物界面的"形貌-力学耦合行为",生物体内微纳尺度的"形貌-力学耦合行为",微纳尺度人工界面上活细胞的"形貌-力学耦合行为"和微纳尺度形貌、界面曲率与力学微环境的最新研究进展,并提出了一些新的概念,如"基于空间曲率的形貌-力学耦合行为"、"医学功能生物界面"和"生物力药理学"等.     

细菌表面镀镍的透射电子显微镜与原子力显微镜表征

近年来微生物细胞由于尺寸小、几何外形标准多样和资源丰富等特点成为制备金属纳米结构或材料极具吸引力的生物模板. 以典型的革兰氏阴性菌——大肠杆菌为模板通过无电子化学镀成功制备了具有标准杆状外形的表面镀镍的纳米金属材料, 并利用原子力显微镜和透射电子显微镜对化学镀镍前后的大肠杆菌作了形貌学上的表征、测量与对比. 结果显示, 空白对照菌表面平整光滑并在云母基底表面表现出较显著的铺展效应; 经过活化和化学镀镍后的菌细胞表面粗糙度明显增大, 并在基本保持原有菌模板外形的基础上, 其高宽比有所增大. 超薄切片结果表明, 菌细胞表面的金属镍镀层分布均匀, 其厚度处于纳米量级.     

纳米-微米FeS2晶须微形貌及其生长界面稳定性研究

在前期天然纳米-微米FeS₂晶须研究基础上, 开展晶须微形貌观察研究. 发现不同时期生长FeS₂晶须的密集程度、直径、表面微形貌有明显差别, 从早期到晚期晶须密集程度增加, 直径减小, 表面微形貌呈现出结瘤突出→表面粗糙→表面较光滑→表面平直、光洁的变化规律. 根据晶体生长理论、晶须形成的地质背景和地质作用方式, 分析讨论了耿庄FeS₂晶须结晶生长时期生长界面稳定性及其变化过程. 认为晶须生长早期有负温度梯度和过冷出现, 晚期则是平稳的正温度梯度状态. 晶须生长时期组分浓度经历了早期极不均匀, 中期阶段相对均匀, 晚期较均匀的变化过程. 界面状态变化过程的总体趋势是由不稳定状态向稳定状态转变. 耿庄FeS₂晶须微形貌是热液体系中温度、组分浓度、界面相稳定性的协同作用结果. 晶须微形貌不仅反映出晶须生长时期热液体系的物理、化学特点, 而且对界面相的稳定性特征反映特别明显, 记录了晶须生长界面的变化过程.     

蚊子腿表面多级微纳结构的超疏水特性

蚊子是一种能够在水面自由起落、行走、产卵而从不溺水的两栖昆虫.报道了蚊子腿表面的超疏水机理.单根蚊子后腿在水面上的静态承载力平均可达600μN,是整个蚊子体重的20多倍,而利用柔软细钢丝做成的外观形状、结构和尺寸与蚊子腿几乎一致的"钢丝腿",其水面承载力仅为85μN.扫描电子显微镜观察发现,蚊子腿表面被大量有序排列的、瓦片状的、尺寸在十微米级的空心鳞片覆盖,鳞片表面整齐排列了亚微米级的纵肋和纳米级的横筋结构蚊子腿部表面具有很强的疏水性,静态接触角约为153°.理论分析表明,蚊子腿表面上的微纳多级结构是其具有超疏水性和高可靠性表面承载力的根本原因.     

基于AFM针尖电化学刻蚀的金纳米电极制备

利用导电原子力显微镜针尖, 对组装在单晶硅上的有序长链硅烷(OTS)单分子膜进行微区电化学氧化, 非破坏地改变其表面甲基为羧基, 形成线宽、间距在纳米量级且可控的梳状结构模板. 然后通过镉离子吸附, 与硫化氢(H₂S)气体反应, 生成硫化镉(CdS)线, 继续与氯金酸(HAuCl₄)反应, 形成金纳米结构. 通过导电原子力显微镜测试, 发现其具有较好的导电性, 可以作为纳米电极.     

高精度复合减阻鲨鱼皮复制成形研究

在对鲨鱼皮表面微米沟槽形貌进行高精度复制的同时, 实现纳米长链减阻界面的接枝合成, 是合成生物复制成形工艺应用于生物复合减阻结构高精度复制的新尝试. 以预处理的鲨鱼皮为微复制模板, 利用软刻工艺中的软模成型技术制备硅橡胶质弹性阴模板; 以水性环氧树脂与聚丙烯酰胺的接枝共聚物为基材, 对弹性阴模板进行复型翻模, 成形出一种兼具纳米长链减阻界面与逼真微米沟槽形貌的复合减阻鲨鱼皮. 复制精度分析结果表明, 该工艺可以实现生物减阻表面复杂三维微形貌的高精度复制成形. 减阻性能测试结果表明, 复合减阻鲨鱼皮具有优异的复合减阻效应, 在测试速度范围内, 最高减阻率达到24.6%.     

封面说明

<正>在自然界中,经过亿万年的自然选择,许多植物表面和动物体表展现优异的疏水特性.一些疏水表面具有自清洁、减阻耐磨、防腐和各向异性等特性.采用高速电火花线切割方法在铝合金表面制备出亚毫米级微观槽棱结构表面,再使用电刷镀工艺在槽棱结构表面上均匀地沉积镍原子,制备微-纳米结构,形成亚毫米、微米和纳米类水稻叶多尺度层级结构.电刷镀形成的双尺度微观结构是多尺度层级结构疏水表面获得疏水性的根本原因,     

生物体的特殊性能与其微观形貌的关系

经过数十亿年的进化,自然界中的生物体有着与生存环境相适应的优异结构和特殊功能。笔者以具有超疏水 自清洁功能的荷叶表面、色彩斑斓可以吸引异性的雄孔雀羽毛,以及具有高强度高韧性等优异机械性能的贝壳珍珠 层这三种生物体表面和生物材料为例,展示了其微观形貌上的纳米结构以及这些纳米结构精密有序的组装方式,揭 示了这种微观结构与其在宏观上的特殊性能存在的必然联系。     

滨海湿地环境中微塑料表面性质及形貌变化

海岸带湿地是微塑料的重要聚集区.目前,对海岸带真实湿地土壤环境中微塑料表面形貌和性质变化研究甚少.本研究选取我国北方温带的黄河口盐沼湿地和南方亚热带的北部湾红树林湿地,以聚苯乙烯发泡和聚乙烯薄膜为受试微塑料对象,通过原位土壤掩埋(地下暴露)和非掩埋(地上暴露)定位试验和定期采样,观察和分析微塑料表面形貌、官能团、比表面积和疏水性等变化,以揭示南北典型生物地理海岸带湿地环境微塑料表面性质及形貌变化特征.在形貌上,南方北部湾红树林湿地中发泡微塑料表面出现更多的凹坑和孔洞,地上暴露的发泡18个月后,表面发生脆化和易脱落现象,而地下暴露的未出现此现象;对于比表面积,黄河口盐沼湿地原位土壤掩埋发泡和薄膜的更高;对于羰基指数,黄河口盐沼湿地土壤环境中发泡和薄膜表面的增长速率更快,地上暴露的微塑料更容易老化;对于表面疏水性,南北两类湿地土壤中掩埋薄膜表面疏水性均降低.对于微塑料类型,发泡和薄膜型微塑料均以大孔和介孔为主,发泡表面形貌更易发生变化,但薄膜比表面积变化更大.可见,滨海土壤环境微塑料表面性质及形貌变化与湿地类型及条件、微塑料种类及其暴露方式和时间等多因素有关,但对这些变化的机理有待深入研究.综上,本研究可为我国海岸带环境微塑料表面微界面化学过程和环境行为研究及其风险管控提供科学依据.     

类水稻叶多尺度表面构筑与各向疏水性

采用高速电火花线切割加工方法与电刷镀工艺结合在铝合金表面构筑了类水稻叶多尺度层级结构表面.利用扫描电子显微镜(SEM)、激光共聚焦显微镜(LSCM)、X射线衍射仪(XRD)和接触角测量仪表征表面的形貌结构、物相组成和润湿特性.结果表明,电刷镀获得的双尺度(微-纳米)微观结构对表面疏水性起关键作用,而高速电火花线切割加工获得的规则排列亚毫米级槽棱结构进一步放大了其平槽方向表面的疏水性能,使其未经任何化学修饰即获得优异的超疏水特性,接触角可以达到151°,且展现平槽和垂槽方向不同的疏水特性.这一研究将对各向异性功能材料结合超疏水材料的应用起到一定的指导意义.     

微晶与纳米硅薄膜表面形貌分形特征的研究

对纳米硅薄膜的微结构研究一直是这个领域中令人感兴趣的问题.Mandelbrot提出的分形理论可用于材料显微结构的定量表征,而分形维数是描述分形结构特征的一个重要几何参量.近年来,人们利用光学显微镜和SEM等手段对薄膜材料和金属断口的表面形貌进行了很多研究,但由于实验手段的限制,通常只能获得材料在微米尺度上的分形特征,而且存在实验过程和数据处理繁琐等缺点.80年代初发展起来的STM,具有纳米量级乃至原子量级的分辨率,能够非破坏性地直接获得样品表面形貌的实空间三维图象,便于进行数据处理,从而使人们可较方便地在纳米乃至原子尺度上对材料的表面进行研究.我们首先采用STM在纳米尺度上对不同工艺条件下按常规PECVD技术制备的微晶及纳米硅薄膜的表面形貌进行了观测,并结合分形理论计算了样品表面形貌的分形维数D,从而找到了D值与样品微结构参数之间的联系.1 实验过程实验所用的硅薄膜样品是在常规PECVD系统中,使用高比例的高纯氢稀释的硅烷作为反应气体,利用RF+DC双重功率源激励等离子体辉光放电制备得到的.薄膜样品的厚度～1μm,衬底为普通的玻璃片.样品表面微观形貌的观测是采用CSTM-9000型STM(中国科学院化学研究所生产)在常温和大气中完成的.观测前,样品在稀释的HF中漂洗,以除去表面上的氧