一種納米金屬鐵獲得及包裹的方法與流程

2023-09-18 08:57:00 1

本發明涉及地球化學領域，特別是涉及一種模擬月壤中納米金屬鐵獲得及包裹的方法。

背景技術：

月球與地球不同，沒有大氣和磁場的保護，長期遭受太空風化作用。納米金屬鐵(npfe0)被發現以圓形小球狀廣泛存在於月壤的膠結質玻璃相中以及月壤顆粒的表面非晶質環帶裡，它的形成被認為與太空風化有關。通過對阿波羅月球樣品研究，納米金屬鐵是改變月球表面反射光譜最主要的因素。

通過對納米金屬鐵的實驗模擬研究，可以為其成因解釋以及為月球與無大氣天體遙感數據的解譯提供有力的理論依據，同時可以為模擬月塵月壤系列標準物質中加入納米金屬鐵提供實驗指導。

目前，國內外為模擬月壤中的納米金屬鐵已展開了系列實驗，其中為模擬(微)隕石轟擊熔融還原作用，將橄欖石、輝石、斜長石和玄武巖玻璃在氫氣氣氛中加熱到1100℃，並迅速冷卻，這種方法得到了亞微米甚至幾個微米的金屬鐵，但大大超出了月壤中納米金屬鐵的粒徑範圍；利用脈衝雷射輻射橄欖石和輝石模擬模擬(微)隕石轟擊蒸發沉積作用，觀察到橄欖石顆粒表面非晶化並且包裹納米金屬鐵，但是輝石中沒有發現此結構，並且納米金屬鐵含量低，實驗結果可重複性較差；同樣利用脈衝雷射輻射含鐵量低的斜長石，也觀察到不同形狀熔融體；模擬太陽風粒子濺射沉積作用，主要用離子注入機將高能的h、he離子注入橄欖石和輝石，離子注入後樣品表面出現了非晶質薄層以及氣泡結構，但並沒有觀察到納米金屬鐵。還有一些非成因模擬方法，如化學合成溶膠凝膠法、微波熔融法、磁控濺射法以及兩步熱處理法等，但是這些方法都不能批量模擬得到接近真實月壤圓形小球狀的納米鐵。

技術實現要素：

基於背景技術存在的技術問題，本發明提出了一種模擬月壤中納米金屬鐵獲得獲得及包裹的方法。

一種納米金屬鐵獲得獲得及包裹的方法，包括以下步驟：

a、將靶材和基底放入石英玻璃充填氮氣保護瓶中，先用脈衝雷射轟擊玄武巖靶材，轟擊次數為5500-6500次；

b、靜置8-15分鐘，待轟擊出的熔融體或等離子體沉積於基底上，改用鐵靶轟擊3400-3700次；

c、再靜置8-15分鐘，改用玄武巖靶雷射轟擊5500-6500次，靜置8-15分鐘，讓雷射轟擊出的鐵包裹於玄武巖中，即可。

優選的，所述的玄武巖靶材的轟擊次數為6000次，鐵靶的轟擊次數為3600次。

優選的，所述的每次轟擊後的靜置時間為10分鐘。

優選的，所述的脈衝雷射轟擊設備為continuum型號surelitei-10雷射器。

優選的，所述的轟擊樣品參數為：雷射波長532nm，能量200mj，脈衝寬度4-6nsec，聚焦束斑0.5mm，轟擊頻率分別為玄武巖靶10hz、鐵靶2hz，靶材傾斜45°，靶材與基底距離2.5cm。

對雷射轟擊樣品進行形貌觀察，發現鐵靶和玄武巖靶轟擊出的熔融體或等離子體沉積產物形態為絮狀和圓形小球狀。沉積後的形態主要與轟擊頻率有關，轟擊頻率越小，越傾向於形成較大的圓形球；轟擊頻率越大，則會形成較多絮狀物。通過控制轟擊頻率可以控制形成圓球的大小，以及是否形成絮狀物。為了使鐵以納米圓形小球狀包裹於玄武巖絮狀物中，轟擊鐵靶與玄武巖靶採用不同的頻率，其中鐵靶轟擊頻率為2hz，形成納米級別圓形小球，而玄武巖靶轟擊頻率為10hz，主要形成絮狀物。同時實驗時採用玄武巖靶-鐵靶-玄武巖靶順序轟擊。

本發明的有益之處在於：

本發明的模擬月壤中納米金屬鐵獲得及包裹的方法，該方法是一種實驗室模擬製備月壤中納米金屬鐵的方法，通過轟擊鐵靶得到納米鐵，轟擊玄武巖靶得到包裹納米鐵的絮狀物；雷射轟擊沉積後的鐵小球主要是以零價鐵形式存在，並且為多晶體；通過調節脈衝雷射轟擊頻率與轟擊時間等參數控制納米鐵的大小與含量，可批量模擬月壤的納米鐵包裹結構，用於模擬更真實的月壤月塵樣品。

附圖說明

圖1：脈衝雷射轟擊樣品後沉積物二次電子圖像；

圖2：沉積物fib超薄切片高分辨圖像；

圖3：納米鐵顆粒離子濺射前後俄歇全譜；

圖4：femnn俄歇窄譜，a)納米鐵顆粒離子濺射前後對比；b)不同標準物質對比。

具體實施方式

以下本發明的實施例進行詳細說明，但是本發明可以根據權利要求限定和覆蓋的多種不同方式實施。

實施例1

一種納米金屬鐵獲得及包裹的方法，包括以下步驟：

a、將靶材和基底放入石英玻璃充填氮氣保護瓶中，先用脈衝雷射轟擊玄武巖靶材，轟擊次數為6000次；

b、靜置10分鐘，待轟擊出的熔融體或等離子體沉積於基底上，改用鐵靶轟擊3600次；

c、再靜置10分鐘，改用玄武巖靶雷射轟擊6000次，靜置10分鐘，讓雷射轟擊出的鐵包裹於玄武巖中，即可。

所述的脈衝雷射轟擊設備為continuum型號surelitei-10雷射器。

所述的轟擊樣品參數為：雷射波長532nm，能量200mj，脈衝寬度5nsec，聚焦束斑0.5mm，轟擊頻率分別為玄武巖靶10hz、鐵靶2hz，靶材傾斜45°，靶材與基底距離2.5cm。

將樣品fib超薄切片，以待hrtem觀察。

以下對樣品進行檢測：

圖1為沉積物的二次電子圖像，圖1a可以看出沉積物均勻分布在基底材料上。圖1b、1c圖表明圓形小球與絮狀物混合在一起，部分小球附在絮狀物上，小球直徑集中在50nm-800nm。將掃描電子顯微鏡電子槍壓增大至20kv，激發更深層二次電子圖像，圖1d可以觀察到絮狀物中包裹有圓形小球。圓形小球為亞微米或者納米級別，而常規能譜激發深度為1微米左右，為了更準確得到小球成分，將電子槍電壓降至10kv(fekα1線系激發的x射線能量為6.391kev，fekα2為6.404kev)，可減小激發深度。能譜數據結果表明可，大部分小球為鐵或鐵的氧化物，絮狀物成分為矽酸鹽。圖1d中包裹圓形小球部分(分析點4)鐵含量明顯高於周邊的絮狀物(分析點3)。由掃描圖像和能譜數據分析表明，通過脈衝雷射交替轟擊玄武巖靶和鐵靶可以得到納米鐵或鐵氧化物的包裹體，而且納米鐵圓形小球數量可觀。

納米鐵價態確認

為了進一步探究納米鐵的包裹情況以及確認納米鐵的價態信息，還對轟擊的樣品進行了高分辨透射電鏡和俄歇電子能譜分析。利用聚焦離子束(fib)對轟擊沉積後的樣品進行超薄切片，便於觀察納米鐵的包埋情況並且可以得到其晶格結構。

圖2為沉積物fib超薄切片透射電鏡圖像。從圖2a可以看出圓形小球包裹於絮狀物中，絮狀物存在空隙；通過圖2b可以發現，圓形小球並不是單個晶體，而是以多晶形式存在；圖2c為小球內部高分辨圖像，晶粒層間距為0.204nm，與體心立方(bcc)單質鐵(101)面層間距一致，說明有單質鐵形成。樣品高分辨圖像表明，當脈衝雷射轟擊鐵靶，得到的熔融體或者等離子體沉積在基底時匯聚形成圓形小球，小球冷凝結晶形成多晶體。小球之所以形成多晶體而不是單晶形態是由於它在自然凝固結晶時，並沒有人為去控制晶核的形成與成長，只要液態金屬過冷在其理論結晶溫度以下時，尺寸較大的短程有序原子集團就會通過結晶釋放潛熱排列形成長程有序的小晶體(晶核)，並且慢慢長大，而這些小晶體的形成是隨機的，晶核形成和長大會同步進行，因此這種液態金屬自然冷凝會形成多晶體。

fib切片在實驗轉運過程中，會暴露在大氣中，其中的小圓球大部分會被氧化想成鐵的氧化物，層間距相應會增大，甚至達到0.218nm，與氧化亞鐵(200)面層間距相對應。為了消除樣品傳送過程中氧化帶來的影響，並且進一步驗證小圓球的價態，對樣品進行俄歇分析。俄歇分析前，先用氬離子槍對樣品進行濺射，清除表面汙染物與氧化層。單質鐵、鐵氧化物價態可以通過femnn俄歇譜圖化學位移判斷其價態，其化學位移主要與元素本身的有效電荷及相鄰元素的電負性差有關，若相鄰元素相同則元素的化合價越正，俄歇電子動能越低，化學位移越負，可以通過比對相應物質的標準譜圖確定其價態。俄歇能譜對元素化學價態研究一般會採用背景信號豐富的積分譜進行線形分析，但是對於鐵元素而言，涉及價電子的俄歇遷移為femnn俄歇峰，俄歇動能位置與二次電子能量(約50ev)重疊，俄歇峰在二次電子背景值之上，信號並不明顯。通過對俄歇峰作微分處理，消除背景電子對俄歇峰的影響，使不同化學環境中的鐵元素femnn俄歇峰差異明顯。

圖3為圓形小球被離子槍濺射前後的俄歇全譜。可以看出圓形小球暴露在大氣中，表面吸附有汙染物並且有氧化情況，存在含量較高的碳和氧元素，有少許的銅元素是由基底材料影響。對小球濺射50nm，表面汙染物吸附層和氧化層基本都被清除掉，單仍會存在微氧，可能小球中存在少量游離氧，不排除在分析過程中腔室中有極少氧與小球發生氧化。圖4是圓形小球離子槍濺射前後以及標準物質femnn俄歇譜圖。通過與標準物質比對，主要對比窄譜的峰形與峰位，可以分析得到小球表面基本已被氧化成氧化鐵(fe2o3)，將表面氧化層濺射掉後，小球為以單質零價鐵形式存在。

通過高分辨電鏡和俄歇能譜分析可知，脈衝雷射轟擊得到的圓形小球以零價的單質鐵為主，小球沒有形成單個晶體，而為多晶體；一旦小球接觸大氣，其表面會被汙染物吸附並且會被氧化，但是內部仍會以零價鐵形式存在。

以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，根據本發明的技術方案及其發明構思加以等同替換或改變，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。