使用原子力显微镜的纳米颗粒的表征

使用原子力显微镜的纳米颗粒的表征

摘要

我们知道，纳米颗粒在现今许多领域变得越来越重要，包括催化，生物医学应用和信息存储。它们独特的尺寸依赖性使这些材料更优越。使用原子力显微镜（AFM），可以分辨单个粒子和粒子群，与其他显微技术不同，AFM提供了三维的可视化和分析。在这里我们将在不同的表面上制备氧化钛，氧化锆和氧化铝纳米颗粒，并通过AFM在动态模式下表征。目标是确定纳米颗粒的形状，尺寸和尺寸分布。

1介绍

下面我简单的介绍下这几种纳米材料的用途，氧化钛（Ti02）纳米粒子用于颜料，气体和湿度传感器，电介质陶瓷，催化剂，太阳能电池等。氧化锆（ZrO2）广泛用作汽车发动机或炉子中的氧传感器[10]。在催化反应中，Zr02可以作为催化剂和作为载体材料。氧化铝（Al 2 O 3）纳米颗粒在很大程度上用于生物医学应用[13]。

在这里，我们使用AFM通过将它们沉积在不同的基底上来表征TiO 2，ZrO 2和Al 2 O 3纳米颗粒。这些不同基底包括云母，清洁硅（Si）和化学处理的硅（Si）。

2准备和实验设置

2.1。纳米颗粒

TiO 2和ZrO 2纳米颗粒为水性悬浮液的形式，二者浓度均为20％。通过光学表征技术估计的TiO 2和ZrO 2颗粒的平均尺寸分别为8μ士3nm和11μ士3nm。这些颗粒

的表面被化学改性以防止聚集。

通过气相冷凝制备Al 2 O 3纳米粉末。该方法产生平均尺寸为100μs50的团聚体形式的球形颗粒和/或尺寸为5-200μm的软团聚体。

提示：大家知道实验材料不能直接拿来就观察，要经过一些处理，符合观察的条件。

2.2。样品制备技术（大家可以看下，这不是我们这节课要了解的内容）

首先将纳米颗粒在去离子水中稀释至适当的浓度，然后超声处理15-30分钟。将50μl稀释物置于清洁的基质上（用乙醇清洁Si，然后用氮气蒸汽干燥;在使用前云母新鲜切割），根据所需颗粒的密度孵育5-20分钟，然后残余溶液通过氮气流吹扫。对所有样品采用这种一般方法。

在沉积纳米颗粒之前改性基底的干净Si表面的情况下，将APTES（3-氨基丙基三乙氧基硅烷）用于硅烷化方法。未处理的Si衬底在超声波浴中用乙醇清洁10分钟，用氮气干燥，然后在臭氧室中放置5分钟。然后通过将清洁的基底悬浮在含有少量APTES和甲苯的玻璃干燥器中，以1:10的比例将其清洗1小时，使其暴露于APTES气氛中。

3。实验现象结果与讨论。

3.1。不同稀释浓度的TiO 2纳米颗粒的成像。

通过AFM在新鲜清洗的Si基底上对不同稀释度的TiO 2纳米颗粒进行成像（图1）。稀释的量增加降低了表面上的纳米颗粒的密度。由于尖端形状的变化，纳米颗粒的横向尺寸在图像上发生变化。然而，发现高度相对恒定为9-11nm。

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图1：;帧大小：1 | im。纳米颗粒的沉积通过使用（a）1:10，（b）1:40和（c）

1:50从0.04％TiO 2水悬浮液。纳米颗粒的高度在9-11nm的范围内。

3.2。 在不同基材上成像ZrO 2纳米颗粒

在图2中，ZrO 2纳米颗粒沉积在两个不同的基底上。 将50μl的ZrO 2纳米颗粒的悬浮液施加到干净的Si和云母上，孵育5分钟，然后用氮气流吹干。在Si上的纳米颗粒（图2（a））出现更多的分离，而云母中的纳米颗粒（图2（b））出现凝结，。 云母的亲

水性质，即使在其被吹干之后， 也可能导致纳米颗粒形成附聚物。 虽然纳米颗粒的密度在Si和云母两者上是相同的。 与在Si上的纳米颗粒相比，在云母上成像纳米颗粒时观察到更大的漂移。

图2：ZrO 2纳米颗粒（0.04％）在（a）硅和（b）云母上的形貌图像。

33.Al2O3纳米颗粒的成像

在干净的Si衬底上的Al 2 O 3纳米颗粒的AFM图像。与TiO 2和ZrO 2纳米颗粒相比，裸露的Al 2 O 3纳米颗粒易于团聚。 这可能是因为后者的表面被化学改性，使得它们保持良好分离。 顺便提一下Al 2 O 3纳米颗粒的成像相对困难，因为由于这些团聚体的大尺寸，在扫描期间尖端将非常快速地钝化。

图3：沉积在硅上的Al 2 O 3（0.02％）纳米颗粒。纳米颗粒的高度约为

50nm。

3.4。在化学处理的Si基底上成像纳米颗粒

纳米颗粒也在化学处理的基底上成像。用APTES（硅烷化试剂）改性清洁的Si，从而增加表面的疏水性。与化学处理的Si相比（图4（b）），清洁Si表面上的TiO 2纳米颗粒的密度（图4（a））非常高。原因在Si表面上的化学处理增加了表面的疏水性，从而降低了纳米颗粒的粘附。尽管在溶液中具有相同的浓度，图（a）显示707个颗粒，图（b）仅显示11个颗粒。

可以看出，化学处理（硅烷化）增加了Si衬底的疏水性。当纳米颗粒的水性悬浮液沉积在该基底上时，表面排斥悬浮液，因此纳米颗粒不粘附于表面。这就是为什么在化学处理的Si衬底上TiO 2纳米颗粒的密度降低的原因。

图4：在（a）干净Si衬底上和（b）化学处理的Si上的TiO 2纳米颗粒（来自0.04％的悬浮液）。纳米颗粒的高度为约11nm。

4。结论

底物的性质起着非常重要的作用;它影响纳米颗粒的数量和沉积在其表面上的颗粒的分布。可以看出，当沉积在云母上时，ZrO 2纳米颗粒似乎形成团聚体，而在Si基底上，它们看起来分布良好。这可能是由于云母的亲水性质。

还可以看出，Si的化学处理（硅烷化）增加了其表面的疏水性。当纳米颗粒的水性悬浮液沉积在该基底上时，表面排斥悬浮液，因此纳米颗粒不粘附于表面。这就是为什么在化学处理的Si衬底上的TiO 2纳米颗粒与干净的Si相比具有降低的密度的原因。看来，纳米颗粒对基底的粘附性随着表面的疏水性的增加而降低，反之亦然。

纳米颗粒表面的性质也影响基底上的分布。 TiO 2和ZrO 2纳米颗粒具有防止它们形成附聚物的化学处理的表面。而Al 2 O 3纳米颗粒是裸露的，因此具有彼此比基底更好地粘附并且倾向于凝结的倾向。

一句话总结:用AFM观察通过使用不同种类的基底研究纳米颗粒的行为和通过使用化学改性的方法改变基底的性质研究其行为。

文中通过TiO 2，ZrO 2和Al 2 O 3纳米颗粒以不同的浓度施加在不同种类的基底上，并通过AFM在动态模式下成像。 发现所得图像受所用基底的种类，纳米颗粒表面的性质以及纳米颗粒悬浮液的稀释的影响。