一种原位观测一维纳米材料的方法及装置

本发明属于纳米材料领域，具体是一种原位观测一维纳米材料的方法及装置。

背景技术：

1、一维纳米材料，也称为纳米线或纳米棒，是纳米材料的一种，其空间尺寸在三维方向上有两维处于纳米尺度范围内。这种材料具有许多潜在的应用前景，如高密度存储记忆元件、超微型纳米阵列激光器、新型电子器件等。一维纳米材料具有广阔的应用前景，例如在能源领域中，可以通过增大表面积来提高能源转化效率；在电子学领域中，可以通过控制纳米线的直径和长度来调节其电学性质；在生物学领域中，可以通过改变纳米线的化学组成和表面修饰来提高其在生物体内的生物相容性。此外，一维纳米材料还具有优异的力学、电学、热学和光学等性能，可以用于制造各种高性能的器件和材料。

2、观测一维纳米材料可以了解材料的微观结构和性质，一维纳米材料具有特殊的结构和性质，通过观测可以了解其原子结构和化学组成，以及材料的物理和化学性质，为材料的研究和应用提供基础数据。一维纳米材料的制备过程通常需要精确控制反应条件和参数，通过观测可以探究制备过程中的现象和机理，为优化制备工艺和提高材料质量提供指导。通过观测一维纳米材料的结构和性质，可以实现对材料性能的调控和优化。例如，通过改变纳米线的直径和长度可以调节其电学性质，为制造高性能电子器件提供支持。

3、现有对一维纳米材料进行观测时，利用利用光学显微镜在生长基原位对一维纳米材料进行观测，获得一维纳米材料的位置、颜色、形态以及各种光谱信息，进而推知该一维纳米材料的结构以及相关物理性质。但是，瑞利散射的强度容易受到环境因素的影响，如温度、湿度等。这可能导致散射效果不稳定，从而影响观测结果。同时，光学显微镜的分辨率通常受到光的衍射极限的限制，对于大多数材料，其分辨率较低会导致无法清晰地观测到一维纳米材料的精细结构和细节，因此，本方案提出了一维纳米材料的方法及装置，实现对一维纳米材料样品的全面、准确和动态观测以及分析。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提供一种原位观测一维纳米材料的方法及装置，以提高一维纳米材料的成像效果，从不同角度、不同层次获取一维纳米材料的全面信息，实现对一维纳米材料样品的全面、准确和动态观测以及分析。

2、为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种原位观测一维纳米材料的装置，包括基底，基底上可拆卸连接有壳体，基底上连接有支架和样品台，支架和样品台均位于壳体内，样品台用于放置一维纳米材料样品，样品台上方设有物镜，物镜上方设有二向色镜，二向色镜一侧转动连接于支架上，二向色镜一侧设有倾斜的反光镜，二向色镜上方设有电子枪，电子枪信号连接有处理器，电子枪用于发射电子束，反光镜上方设有光源；

3、样品台下方设有透射散射电子探测器，样品台一侧设有二次电子探测器，另一侧设有能谱仪；电子枪一侧设有图像采集器，电子枪和图像采集器均固定连接有连接杆，连接杆滑动连接于支架上；连接杆上铰接有辅助杆，辅助杆远离连接杆一端转动连接有转动杆，转动杆远离辅助杆一端转动连接于二向色镜一侧；透射散射电子探测器、二次电子探测器、能谱仪和图像采集器均与处理器信号连接；

4、当连接杆移动时，物镜正上方的图像采集器转换为电子枪，此时连接杆带动辅助杆移动，辅助杆带动二向色镜转动，使二向色镜转出物镜正上方。

5、采用上述方案的原理及有益效果：由于基底上可拆卸连接有壳体，支架和样品台均位于壳体内，未使用该装置时，将壳体置于基座上，将支架和样品台进行笼罩，可以对它们起到保护作用，避免外界因素对它们的干扰或损坏。同时可以将整个装置方便地携带和运输，方便实验人员在不同的实验场所使用。并且通过将支架和样品台进行笼罩，可以避免灰尘或其他杂质对它们的污染，保持它们的清洁状态。

6、由于装置中设置了电子枪和光源，可以实现对一维纳米材料样品的动态观测。电子束可以激发样品产生物理变化或化学反应，从而实现对样品动态演变的实时观测。

7、通过使用二向色镜和反光镜等光学元件，可以实现对入射光的精确控制和优化，从而提高光学显微镜的分辨率和成像质量。同时，透射散射电子探测器、二次电子探测器和能谱仪的使用可以提供更全面的样品信息，有助于对一维纳米材料进行深入的研究和分析。

8、装置中的物镜、二向色镜、反光镜等元件的设置，可以实现从可见光到x射线的多波段观测，从而增强了对一维纳米材料样品的观测功能。同时，电子枪的使用可以提供高能电子束，有助于对样品进行深入的物理分析和化学分析。

9、装置中的样品台、物镜、二向色镜、反光镜等元件的设置，使得操作更加便利和灵活。同时，连接杆和辅助杆的设置可以实现对装置的精确调整和优化，从而提高了观测结果的准确性和可重复性。

10、装置中的电子枪和光源等元件的设置，可以实现对样品的无损检测和分析，避免了传统表征方法中需要使用化学试剂等带来的安全隐患和样品损坏问题。同时，装置的机械结构也经过优化设计，提高了装置的安全性和可靠性。

11、由此，这种原位观测一维纳米材料的装置，利用透射散射电子探测器、二次电子探测器和能谱仪均收集一维纳米材料的微观结构和化学成分信息，利用图像采集器收集一维纳米材料的宏观形貌信息，提高了一维纳米材料的成像效果，从不同角度、不同层次获取一维纳米材料的全面信息，实现了对一维纳米材料样品的全面、准确、动态观测和分析，对于材料科学、物理、化学等领域的研究和发展具有重要意义。

12、进一步，透射散射电子探测器、二次电子探测器和能谱仪均用于收集一维纳米材料的微观结构和化学成分信息，图像采集器用于收集一维纳米材料的宏观形貌信息；

13、处理器用于获取一维纳米材料的微观结构和化学成分信息以及宏观形貌信息，利用特征提取和建模技术，将微观结构和化学成分信息以及宏观形貌信息转化为可以比较和分析的特征，利用该特征建立数学模型，对数据进行分析和解释；

14、通过比较和分析微观结构和化学成分信息和宏观形貌信息之间的差异和相似之处，发现其之间的互补关系，通过互补关系优化所建立的数学模型。

15、有益效果：通过使用透射散射电子探测器、二次电子探测器和能谱仪收集微观结构和化学成分信息，以及使用图像采集器收集宏观形貌信息，可以更全面地获取一维纳米材料的信息。处理器获取这些信息后，利用特征提取和建模技术转化为可以比较和分析的特征，建立数学模型进行分析和解释，提高了数据分析的准确性。

16、通过比较和分析微观结构和化学成分信息和宏观形貌信息之间的差异和相似之处，可以发现这些属性之间的互补关系。这种互补关系可以用于优化所建立的数学模型，更好地描述和预测一维纳米材料的性能和应用潜力。

17、通过利用数学模型对一维纳米材料的微观结构和化学成分信息以及宏观形貌信息进行分析和解释，可以在更短的时间内预测材料的性能，加快了材料设计和优化的效率。这有助于研究人员更快地开发出性能更优、成本更低、应用范围更广的一维纳米材料。

18、进一步，样品台底部滑动连接有辅助块，辅助块一侧固定连接有第一电控缸，第一电控缸输出轴与样品台可拆卸连接；辅助块底部固定连接有倒t形的滑块，基底上设有滑槽，滑块位于滑槽内并与滑槽滑动配合，基底上固定连接有第二电控缸，第二电控缸输出轴与滑块可拆卸连接。

19、有益效果：通过设置第一电控缸和第二电控缸，可以实现自动化和智能化的控制。这大大提高了实验操作的便利性和灵活性，降低了人工操作的成本和误差。样品台底部滑动连接有辅助块，可以方便地调整样品台的位置。这有助于在不同实验条件下保证样品的稳定性和准确性。通过将辅助块底部固定连接有倒t形的滑块，并与基底上的滑槽滑动配合，可以增加样品台的稳定性和精度。这种设计有助于减少实验过程中由于震动或其他因素引起的误差。第一电控缸输出轴与样品台可拆卸连接，当需要更换或维修样品台时，可以方便地将样品台与第一电控缸分离。这种设计提高了实验的效率和设备的可维护性。通过设置第一电控缸和第二电控缸，可以精确控制实验过程中的各种参数，避免由于人为操作不当引起的安全问题。同时，这种自动化和智能化的控制方式还可以提高实验的准确性和可重复性。

20、进一步，支架上固定连接有加热器和制冷器，加热器和制冷器的出风口均朝向样品台，样品台一侧可拆卸连接有温度检测器，温度检测器、加热器和制冷器均与处理器信号连接。

21、有益效果：通过在支架上固定连接加热器和制冷器，可以实现对样品台的温度控制。加热器和制冷器的出风口均朝向样品台，可以实现对样品台进行局部加热和制冷。同时，通过温度检测器可以实时检测样品的温度，并将温度数据反馈给处理器，实现温度的精确控制。加热器和制冷器的设置可以满足不同实验需求。在进行材料合成、化学反应等实验时，精确控制样品温度对于实验结果至关重要。通过加热器和制冷器可以实现精确的温度控制，从而获得更准确、可靠的实验结果。通过温度检测器、加热器和制冷器与处理器的信号连接，可以实现实时数据采集和分析。处理器可以根据采集到的数据和实验条件进行优化和控制，提高实验效率。

22、进一步，处理器信号连接有显示屏和移动终端。

23、有益效果：通过将处理器与显示屏连接，可以将实验过程中的实时数据展示在显示屏上，方便实验人员随时了解实验进展和数据变化。这有助于提高实验的效率和准确性，同时减少人工操作的成本和误差。移动终端的连接使得实验人员可以在远程对设备进行操控和监控。通过移动终端，实验人员可以随时随地获取实验数据和设备状态信息，并进行相应的操作和控制。这种设计提高了实验的灵活性和便利性，特别适用于需要长时间运行或无人值守的实验。

24、进一步，连接杆一侧固定连接有把手，把手上滑动连接有卡块，支架上设有若干卡槽，卡块与卡槽相配合，卡块与卡槽配合能够将连接杆的位置固定。

25、有益效果：通过设置把手和卡块，可以方便地对连接杆进行操作和调节。实验人员可以通过转动把手来移动连接杆，而卡块与卡槽的配合则可以将连接杆的位置固定。这种设计有助于在不同实验条件下保证连接杆的稳定性和准确性。卡块与卡槽的配合能够将连接杆的位置固定，从而提高了设备的稳定性和精度。这种设计有助于减少实验过程中由于震动或其他因素引起的误差，提高实验的准确性和可重复性。

26、进一步，样品台由透明材料制成，样品台顶部设有凹槽，凹槽用于放置一维纳米材料，凹槽能够用于容纳耦合液。

27、有益效果：样品台由透明材料制成，可以方便地观察和检测一维纳米材料的形貌、结构和性质。通过直接观察，可以更准确地了解和掌握一维纳米材料的性质和行为，有助于提高实验的准确性和可靠性。

28、在实验过程中，可以直接将一维纳米材料放置在凹槽中，凹槽能够用于容纳耦合液，可以方便地进行耦合反应。这种设计减少了实验步骤和操作时间，提高了实验效率。

29、进一步，一种原位观测一维纳米材料的方法，包括如下步骤：

30、步骤一，样品准备：准备所需观测的一维纳米材料，使用耦合剂或静电吸附的方式将一维纳米材料固定于样品台上；

31、步骤二，光学系统调整与观测：调整连接杆的位置，使图像采集器位于一维纳米材料正上方，二向色镜位于图像采集器和一维纳米材料之间，开启光源，光束照射于反光镜上后反射至二向色镜上，二向色镜将光束反射至一维纳米材料上，通过图像采集器采集一维纳米材料的图像信息；

32、步骤三，电子束控制与观测：移动连接杆，使电子枪位于一维纳米材料正上方，此时连接杆带动辅助杆移动，辅助杆带动二向色镜转动，使二向色镜转出物镜正上方，通过电子枪发射电子束，电子束射出至一维纳米材料上，通过电子探测器、二次电子探测器和能谱仪采集一维纳米材料的电子信号，并将信号传输至处理器进行处理和分析，获取一维纳米材料的检测信息，检测信息包括但不限于形貌、成分和结构信息；

33、步骤四，信息整合：利用处理器获取图像采集器采集的一维纳米材料的图像信息以及通过电子探测器、二次电子探测器和能谱仪获取的一维纳米材料的检测信息，将图像信息与检测信息进行结合，建立数学模型，并对数学模型数据进行分析和解释；

34、步骤五，观测结果输出：将对数学模型数据进行分析和解释的结果进行输出，完成一维纳米材料的原位观测。

35、有益效果：整个观测过程包括样品准备、光学系统调整与观测、电子束控制与观测、信息整合和观测结果输出都变得简单、方便，实验人员可以轻松地完成实验操作。通过使用耦合剂或静电吸附的方式将一维纳米材料固定于样品台上以及通过光学系统和电子束控制系统对一维纳米材料进行观测和检测，保证了观测结果的准确性和可靠性。整个观测过程自动化程度高，减少了实验人员的工作量，提高了实验效率。该方法可以针对不同的实验需求进行定制和调整，可以灵活地应用于不同类型的一维纳米材料的观测和检测。