纳米材料检测与表征讲座
纳米材料的测试与表征
技术进步：新型纳米材料的研 发和生产技术不断突破
市场需求：随着科技的发展， 对纳米材料的需求不断增加
政策支持：政府对纳米材料产 业的支持和鼓励政策不断出台
纳米材料面临的挑战
生产成本高：纳米 材料的生产工艺复 杂，导致生产成本 较高
稳定性差：纳米材 料在环境中容易发 生团聚和氧化，影 响其性能
拉曼光谱技术
特点：无损、快速、可原位 分析
原理：利用光与物质相互作 用产生的拉曼散射现象进行 表征
ห้องสมุดไป่ตู้
应用：研究纳米材料的结构、 组成、形态和缺陷等
局限性：需要较高的实验条 件和技术水平
纳米材料的应用领域
能源领域
太阳能电池：利用 纳米材料提高太阳 能电池的效率和稳 定性
燃料电池：利用纳 米材料提高燃料电 池的性能和寿命
纳米材料面临的技术挑战与解 决方案
THNK YOU
汇报人：XX
热传导机制：纳米 材料中的热传导机 制主要包括电子导 热、声子导热和光 子导热
纳米材料的测试技术
X射线衍射法
原理：利用X射线与物质相互作用产生的衍射现象来研究物质的微观结构
特点：无损检测，可对样品进行原位测试
应用：广泛应用于纳米材料的结构分析、成分分析和应力分析等领域 局限性：需要专业的设备和技术人员，测试过程复杂，测试结果受多种 因素影响
现代分析方法 纳米材料的表征与测试技术
现代分析方法纳米材料的表征与测试技术分析科学现代方法正是人类知识宝库中最重要、最活跃的领域之一，它不仅是研究的对象，而且又是观察和探索世界，特别是微观世界的重要手段，各行各业都离不开它。随着纳米材料科学技术的发展，要求改进和发展新分析方法、新分析技术和新概念，提高其灵敏度、准确度和可靠性，从中提取更多信息，提高测试质量、效率和经济性。
纳米科学和技术是在纳米尺度上（0.1-100nm之间）研究物质(包括原子、分子)的特性和相互作用，并且利用这些特性的多学科的高科技。纳米科技是未来高科技的基础，而适合纳米科技研究的仪器分析方法是纳米科技中必不可少的实验手段。因此，纳米材料的分析和表征对纳米材料和纳米科技发展具有重要的意义和作用。
纳米技术与纳米材料是一个典型的新兴高技术领域。虽然许多研究人员已经涉足了该领域的研究，但还有很多研究人员以及相关产业的从业人员对纳米材料还不很熟悉，尤其是如何分析和表征纳米材料、如何获得纳米材料的一些特征信息。为了满足纳米科技工作者的需要，本文对纳米材料的一些常用分析和表征技术，主要从纳米材料的成分分析、形貌分析、粒度分析、结构分析以及表面界面分析等几个方面进行简要阐述。
1. 纳米材料的粒度分析
1.1粒度分析的概念
大部分固体材料均是由各种形状不同的颗粒构造而成，因此，细微颗粒材料的形状和大小对材料结构和性能具有重要的影响。尤其对纳米材料，其颗粒大小和形状对材料的性能起着决定性的作用。因此，对纳米材料的颗粒大小、形状的表征和控制具有重要意义。一般固体材料颗粒大小可以用颗粒粒度概念来表述。
《纳米材料表征技术》教学大纲
《纳米材料表征技术》教学大纲
课程代码：NANA1060
课程名称：纳米材料表征技术
英文名称：Characterization Techniques of Nanomaterials
课程性质：专业必修课程
学分/学时： 3.00/108
考核方式：平时20%，期中30%，期末30%，实验20%
开课学期：大三秋季学期
适用专业：纳米材料与技术
先修课程：
后续课程：
开课单位：纳米科学技术学院
选用教材：《Characterization Techniques of Nanomaterials》（自编）
一、课程目标
本课程通过理论教学和实验训练，使学生以下能力。
1.掌握先进的纳米表征技术，并能针对目标纳米材料或器件，选择合适的技术进行研究。（支撑毕业要求
指标点3-1）
2.针对复杂的研究内容，能综合运用所学知识进行分析，并在实验环节中体现创新意识。（支撑毕业要求
指标点3-2）
3.理解各种表征技术的工作原理和其背后和物理及化学机理，具备独立操作表征仪器能力。（支撑毕业要
求指标点4-1）
4.掌握各种表征技术的适用范围以及局限性。会处理、分析表征数据，并得出有意义的结论。（支撑毕业
要求指标点5-2）
二、教学内容
1.了解表征技术的大致分类，各自的局限性，以及如何选择合适的表征技术。
2.掌握电子显微镜的电子光学基础；掌握扫描电子显微技术的工作原理和仪器构造;掌握X射线能量色散
光谱仪的工作原理;了解电子扫描显微技术在纳米材料分析的应用
3.晶体学和衍射，实空间和倒空间。
4.掌握透射电子显微技术的基本原理和仪器构造; 掌握选区电子衍射的原理。
第二章纳米材料的表征方法之STM和AFM
IBM苏黎世实验室，1978年开始，
1982年，获得CaIrSn4单晶单原子台阶像 1983年，获得第一张，Si(111)-77表面重构像 1986年，两位博士与E.Ruska一起，获Nobel物理学奖
MFM 磁力显微镜
分辨率优于25nm，主要用于观察磁场边界、磁 场强度等，如可用于观察磁盘存贮的数据等 是由STM派生出来，用于研究薄居下界面性质 并具有纳米空间分辨率的一种显微镜。通过 BEEM图．可以观察到界面结构以及由于界面结 构的缺陷和界面双方元素的互扩散或化学作用 形成的电子态不均匀性状态。
◆ 此外，还可以利用STM对表面的原子进行移出和植入
操作，有目的地使其排列组合，这就使研制纳米级量 子器件、纳米级新材料成为可能
扫描隧道和原子力电子显微镜
原子力电子显微镜简称AFM 在真空环境下测量，其横向分辨率可达0.15nm， 纵向分辨率达0.05nm，主要用于测量绝缘材料表 面形貌。此外，用AFM还可测量表面原子间力、表 面的弹性、塑性、硬度、粘着力、摩擦力等性质。
• STM成像的倒易原理： –针尖和样品之间是微观对称的，两者之间的电子发生 相互作用，并进行交换。 –或者用针尖态来探测样品态，或者用样品态来探测针 尖态
纳米材料表征技术
主要表征方法和用途
要想知道纳米材料的成分组成情况，可以采用X射线光 电子能谱学(X—ray photoelectron spectroscopy，简称 XPS)、俄歇电子能谱学(Auger electron spectroscopy， 简 称 AES) 、 出 现 电 势 谱 学 (Appearance potential spectroscopy，简称APS)等手段，通过材料受到外界粒 子(电子或光子)的轰击而发射电子，分析这些电子所携 带的能量信息，确定材料由什么元素组成。通过分析能 谱图中谱线的化学位移或物理位移，还能知道更多各元 素间相互结合的情况。
电子显微分析概述
弹性散射电子：在晶体材料中，电子按布拉格定律，被具有 不同取向及面间距的周期排列原子平面散射到不同角度，产 生电子衍射图，提供晶体结构、对称性、取向和样品厚度等 信息。
X射线：入射电子在样品原子激发内层电子后外层电子跃 迁至内层时发出的光子。不同原子被激发的X射线是特征的， 其谱线波长及强度可用于电子照射区域的化学成分的定性及 定量分析。X射线产生的效率很低，10000个入射电子才产 生1个光子。最常用的探测器是固体能散X射线谱仪。一般 情况下，能探测Na以上元素。在特殊装置中，可探测B，C， N，O等轻元素。其绝对检测量、准确度和空间分辨率与元 素、样品、入射电子能量多种因素有关。
技术概述
纳米材料的性能是指在给定的一系列条件下，当某一条 件发生改变时纳米材料所产生的响应。这种响应反映材料 的本质。这里给定条件也很重要，如外力加于材料，它的 响应是不一样的，若无约束，材料会运动；若受约束，材 料会产生变形。对材料性能的测定需要建立一种广义力与 广义位移的关系。在关系为线性时，性能由线性常数表征， 如联系力与弹性变形的弹性模量；联系熵与温度的热容等。 在关系偏离线性时，性能要由高阶的常数来描述，如联系 光场电振幅与介质极化强度的极化率。
纳米材料的合成和表征方法技巧
纳米材料的合成和表征方法技巧
纳米材料是一种尺寸在1到100纳米之间的材料，具有独特的物理、化学和生
物学性能。纳米材料的合成和表征方法对于研究其性质和应用具有重要意义。本文将探讨几种常见的纳米材料合成和表征方法技巧。
一、溶剂热法
溶剂热法是一种常用的纳米材料合成方法，通过在高温、高压条件下进行反应，使反应物溶解在溶剂中，并逐渐形成纳米颗粒。该方法具有反应温度和时间可控、纳米颗粒尺寸可调的优点。
在合成纳米材料的过程中，选择合适的溶剂是关键。通常选择的溶剂应具有较
高的沸点和相对较低的相对极性，具有适当的溶解性和稳定性。常用的溶剂有乙二醇、正庚烷、N,N-二甲基甲酰胺等。
在溶剂热法中，合成剂和溶剂必须在密封容器中加热。在合成过程中，根据不
同的反应需求，可采用不同的加热方式，如水浴加热、电子源加热或高压反应釜。
二、溶胶凝胶法
溶胶凝胶法是一种通过溶胶的凝胶化过程得到纳米材料的方法。其基本原理是
先制备溶胶，然后使其凝胶化。凝胶形成后，通过干燥、热处理等方法，可以得到纳米颗粒。
在凝胶制备过程中，常用的溶胶剂有水、醇类、酸、氨等。通过调节溶胶剂的
性质和浓度，可以控制纳米颗粒的形貌和尺寸。
需要注意的是，溶胶凝胶法中的凝胶化过程对于纳米颗粒的形成至关重要。凝
胶化一般通过化学反应或物理交联实现，如水解反应、凝胶离子交换等。
三、X射线衍射（XRD）表征
X射线衍射是一种常用的纳米材料表征方法，可用于分析物质的结晶性和晶格
参数。通过测量材料对入射X射线的散射角度和强度，可以推断出材料的晶体结
构和晶粒尺寸。
X射线衍射实验通常使用X射线衍射仪进行。在实验过程中，需调整X射线
纳米材料的测试与表征
纳米材料的测试与表征
目录
一、纳米材料分析的特点
二、纳米材料的成分分析
三、纳米材料的结构分析
四、纳米材料的形貌分析
一、纳米材料分析的特点
纳米材料具有许多优良的特性诸如高比表面、高电导、高硬度、高磁化率等；
纳米科学和技术是在纳米尺度上（0.1nm~100nm之间）研究物质（包括原子、分子）的特性和相互作用，并利用这些特性的多学科的高科技。
纳米科学大体包括纳米电子学、纳米机械学、纳米材料学、纳米生物学、纳米光学、纳米化学等领域。
纳米材料分析的意义
纳米技术与纳米材料属于高技术领域，许多研究人员及相关人员对纳米材料还不是很熟悉，尤其是对如何分析和表征纳米材料，获得纳米材料的一些特征信息。
主要从纳米材料的成分分析，形貌分析，粒度分析，结构分析以及表面界面分析等几个方面进行了检测分析。
通过纳米材料的研究案例来说明这些现代技术和分析方法在纳米材料表征上的具体应用。
二、纳米材料的成分分析
●成分分析的重要性
⏹纳米材料的光电声热磁等物理性能与组成纳米材料的化学成分和结构具有密切关
系
⏹TiO2纳米光催化剂掺杂C、N
⏹纳米发光材料中的杂质种类和浓度还可能对发光器件的性能产生影响据报；如通过
在ZnS中掺杂不同的离子可调节在可见区域的各种颜色。
⏹因此确定纳米材料的元素组成测定纳米材料中杂质种类和浓度是纳米材料分析的
重要内容之一。
●成分分析类型和范围
⏹纳米材料成分分析按照分析对象和要求可以分为微量样品分析和痕量成分分
析两种类型；
⏹纳米材料的成分分析方法按照分析的目的不同又分为体相元素成分分析、表面
成分分析和微区成分分析等方法；
纳米材料的测试与表征-精选文档
• 其特点是样品使用量少，不仅可以获得样品的形 貌，颗粒大小，分布以还可以获得特定区域的元 素组成及物相结构信息
高分辨TEM
电镜法粒度分析
• 优点：是可以提供颗粒大小，分布以及形状的数 据。此外，一般测量颗粒的大小可以从1纳米到几 个微米数量级 • 给出颗粒图像的直观数据，容易理解
• 缺点：是样品制备过程会对结果产生严重影响。 如样品制备的分散性，直接会影响电镜观察质量 和分析结果 • 电镜取样量少，会产生取样过程的非代表性
STM像
原子操纵
原子力显微镜AFM
• 原子力显微镜(AFM)， 或者扫描力显微镜 （SFM） • 跟所有的扫描探针显 微镜一样，AFM使用 一个极细的探针在样 品表面进行光栅扫描， 探针是位于一悬臂的 末端顶部，该悬臂可 对针尖和样品间的作 用力作出反应
AFM的像
三、纳米材料的结构分析
wenku.baidu.com 光散射法粒度分析
• 测量范围广,现在最先进的激光光散射粒度 测试仪可以测量1nm～3000μｍ,基本满足 了超细粉体技术的要求 • 测定速度快,自动化程度高,操作简单，一般 只需1～1.5min • 测量准确,重现性好
第六章 纳米材料检测及表征技术
• 成分分析
• 形貌分析
• 粒度分析
• 结构分析 • 表面界面分析
1. 纳米材料的粒度分析
1.1 粒度分析的概念
①晶粒：是指单晶颗粒，即颗粒内为单相，无晶界。
②一次颗粒：是指含有低气孔率的一种独立的粒子。
③团聚体：是由一次颗粒通过表面力或固体桥键作用而形成的更 大的颗粒。团聚体内含有相互连接的气孔网络。团聚体可分为硬 团聚体和软团聚体两种，团聚体的形成过程使体系能量下降。 ④二次颗粒；是指人为制造的粉料团聚粒子。例如制备陶瓷的工 艺过程中所指的“造粒”就是制造二次颖粒。 纳米微粒一般指一次颗粒。它的结构可以为晶态、非晶态和准晶 态。可以是单相、多相或多晶结构。
2. 纳米材料的形貌分析
2.1 形貌源自文库析的重要性
对于纳米材料，其性能不仅与材料颗粒大 小还与材料的形貌有重要关系。
形貌分析主要内容是分析材料的几何 形貌、材料的颗粒度、颗粒的分布以及形 貌微区的成分和物相结构等方面。
2.2 形貌分析的主要方法
• 扫描电子显微镜(SEM)
• 透射电子显微镜(TEM)
项目
测试方法 成分分析（平均成分、表面 化学分析、光谱分析、EDS 及微区成分） 粒度及粒度分布 XRD、TEM、BET、激光衍射
形貌观察 TEM、SEM、HREM 结构分析（内部结构、表面 XRD、TEM、HREM、XPS、 及微区结构） EDS、UPS、NMR、STM、 EXAFS、Raman 相变及热物性 磁性与磁结构 Mossbauer、DSC、XRD VSM、NMR、Mossbauer
纳米材料的测试与表征课件
• 测量准确,重现性好。
• 可以获得粒度分布；
2019/11/2
清华大学化学系材料与表面实验室
24
激光相干光谱粒度分析法
• 通过光子相关光谱（PCS）法，可以测量粒子的迁移速 率。而液体中的纳米颗粒以布朗运动为主，其运动速度 取决于粒径，温度和粘度等因素。在恒定的温度和粘度 条件下，通过光子相关光谱（PCS）法测定颗粒的迁移 速率就可以获得相应的颗粒粒度分布
2019/11/2
清华大学化学系材料与表面实验室
12
电感耦合等离子体质谱法
• ICP-MS 是利用电感耦合等离子体作为离子源的 一种元素质谱分析方法；该离子源产生的样品离 子经质谱的质量分析器和检测器后得到质谱；
• 检出限低（多数元素检出限为ppb-ppt级） • 线性范围宽（可达7个数量级） • 分析速度快（1分钟可获得70种元素的结果） • 谱图干扰少（原子量相差1可以分离），能进行
主要包括X 射线光电子能谱XPS 和俄歇电子能谱法AES
2019/11/2
清华大学化学系材料与表面实验室
9
体相成分分析方法
• 纳米材料的体相元素组成及其杂质成分的分析方 法包括原子吸收原子发射ICP， 质谱以及X 射线 荧光与衍射分析方法；
• 其中前三种分析方法需要对样品进行溶解后再进 行测定，因此属于破坏性样品分析方法。
纳米材料的表征与测试技术
纳米材料的表征与测试技术
纳米科技是21世纪最具发展前景的领域之一，而纳米材料作为纳米科技的重要组成部分，其性质和性能的表征与测试显得尤为重要。本文将介绍纳米材料的表征方法和测试技术，以期为相关领域的研究提供有益的参考。
原子力显微镜是一种用于研究纳米材料表面形貌和微观结构的强大
工具。它利用微悬臂感受样品原子间的相互作用力，从而获得样品的表面形貌和粗糙度等信息。AFM不仅可以观察纳米粒子的形貌，还可以用于研究表面修饰和吸附等现象。
透射电子显微镜是通过电子束穿过样品获取信息的一种仪器。在纳米材料的表征中，TEM可以用来观察纳米粒子的形貌、尺寸和分布等信息。TEM还可以用于研究纳米材料的内部结构、界面等现象。
X射线衍射是一种用于研究材料晶体结构和相变的重要手段。通过测量X射线的衍射角度，可以获得样品的晶体结构、晶格常数和相组成等信息。在纳米材料的表征中，XRD可以用于研究纳米粒子的物相、结晶度以及分子结构等信息。
扫描隧道显微镜主要用于测量样品的表面形貌和电子云分布。在纳米
材料的测试中，STM可以用于研究纳米结构的电子性质、表面修饰和分子吸附等现象。STM还可以用于测量纳米材料的隧道电流和电阻等电学性质。
紫外-可见光谱是一种用于研究材料光学性质的重要手段。在纳米材料的测试中，UV-Vis可以用于测量纳米材料的光学性质，如吸收光谱、反射光谱和透射光谱等。通过分析这些光谱数据，可以获得纳米材料的光学带隙、粒径分布和成分等信息。
热重分析是一种用于研究材料热稳定性和质量变化的重要技术。在纳米材料的测试中，TGA可以用于研究纳米材料在不同温度下的热稳定性、分解行为和热反应动力学等。TGA还可以用于测量纳米材料的比表面积和孔径分布等物理性质。
纳米材料的测试与表征
材料的组成
加压/拉伸状态 晶体的对称性和 取向
晶体的质量
电子衍射分析
• 所用的电子束能量在102～106eV的范围内。 • 电子衍射与X射线一样，也遵循布拉格方程：
2dsinq =nl • 电子束衍射的角度小，测量精度差。测量晶体结
构不如XRD • 电子束很细，适合作微区分析。因此，主要用于
• 对于不同原理的粒度分析仪器，所依据的测量原理不同， 其颗粒特性也不相同，只能进行等效对比，不能进行横向 直接对比。
粒度分析的种类
• 光散射法(Light Scattering) • 显微镜法(Microscopy)
SEM,TEM；1nm～5μｍ范围； 适合纳米材料的粒度大小和形貌分析 ；
• 沉降法(Sedimentation Size Analysis)
• STM通常被认为是测量表面原子结构的工具，具 有直接测量原子间距的分辨率。 STM还可以操纵 单个原子和分子
STM像
原子操纵
原子力显微镜AFM
• 原子力显微镜(AFM)， 或者扫描力显微镜 （SFM）
• 跟所有的扫描探针显 微镜一样，AFM使用 一个极细的探针在样 品表面进行光栅扫描， 探针是位于一悬臂的 末端顶部，该悬臂可 对针尖和样品间的作 用力作出反应
• 其特点是样品使用量少，不仅可以获得样品的形 貌，颗粒大小，分布以还可以获得特定区域的元 素组成及物相结构信息
纳米材料的制备与表征
化学法
化学气相沉积法
微乳液法
通过加热或催化方式，使反应气体在 气相中发生化学反应，生成固态物质 并沉积在基底上形成纳米结构。
利用两种互不相溶的溶剂在表面活性 剂的作用下形成微乳液，通过控制反 应条件，制备出纳米粒子。
溶胶-凝胶法
将前驱体溶液加入适量的溶剂和催化 剂中，经过溶胶、凝胶和干燥处理， 获得纳米颗粒或薄膜。
拉曼光谱和红外光谱技术
拉曼光谱
用于分析纳米材料的振动模式和分子 结构，有助于了解材料的物理和化学 性质。
红外光谱
通过测量纳米材料对红外光的吸收， 可分析分子中的振动和转动模式，推 断分子的结构和化学键信息。
04 纳米材料的应用前景
在能源领域的应用
提高能源效率
纳米材料可用于制造高效 能电池、太阳能电池和燃 料电池，提高能源的转换 效率和储存能力。
组织工程与再生医学
纳米材料可用于构建人工组织、器官和生物材料，促进受损组织 的再生和修复。
wk.baidu.com 在环境领域的应用
污染物去除
纳米材料可用于水处理和空气净 化，有效去除污染物和有害物质。
土壤修复
纳米材料可用于修复被重金属和 有机物污染的土壤，降低对环境
和生态系统的危害。
环保监测
纳米材料可用于开发高灵敏度环 境监测传感器，实时监测空气、
02 纳米材料的制备方法
纳米材料的表征
合成新材料的基础。
所谓的纳米表征学: 就是描述纳米结构、 纳米尺度、物质的组成、性质及其相互 关系的一门测量技术学科，组分的测定 、
性质性能的检测和结构的确定通称为纳 米表征。
1.1 纳米材料的表征手段 1.1.1 电子显微镜
STM的优点
它有原子量级的极高分辨率(横向可达0.1nm, 纵向可达 0.01nm),即能直接观察到单原子层表面的局部结构 。 比如表 面缺陷、表面吸附体的形态和位置等.
STM能够给出表面的三维图像,可以测量具有周期性或不具有周 期性的表面结构.
STM可在不同的环境条件下工作,包括真空、大气、低温,甚至 样品可浸在水中或电解液中,所以适用于研究环境因素对样品表 面的影响.
尖将原子一个个地排列 成汉字, 汉字的大小只 有几个纳米
1991年, IBM公司的“拼 字”科研小组用STM针尖 移动吸附在金属表面的 一氧化碳分子, 拼成了一 个大脑袋小人的形象。 图中每个白团是单个一 氧化碳分子竖在铂表面 上的图象, 顶端为氧分子, 各个分子的间距约 0.5nm。这个"分子人"从 头到脚只有5nm高, 堪称 世界上最小的人形图案。
D=Rλ/βcosθ
据此可以按照最强衍射峰计算不同条件制备的纳米材料粒径。测定纳米粒子 组成: 例如用XRD分析Ni-Fe复合微粒。XRD还可作为纳米制备中相的鉴别，例 如TiO2纳米粉在不同的热处理温度下生成不同的相。实验表明在200~600℃ 热处理条件下，以锐钛矿相出现，而在800℃时，则转化为金红石相。这都可 以从相应的XRD的峰强、2θ衍射角和对应的晶面得到鉴别。但在700℃处理时 则得混合的衍射峰，说明锐钛矿相和金红石相共存于纳米晶中。
第五章 纳米材料的表征
例一、热氧化法制备WO 2.9纳米棒
利用SEM 知道了棒的集体形貌、大体尺寸、取向特性等。
利用XRD 分析获取了纳米棒的晶体结构以及取向分布等信息。利用TEM 、SAD 、HRTEM 、EDS 等分析可以获取单根纳米棒的结构、直径、化学成分、生长方向等信息。
例一、热氧化法制备纳米棒
材料的分析与表征概述
Raman 光谱和光致发光谱给出了化学键合和光学性能信息。
JEOL－200CX 分析型透射电镜
透射电镜观察法(TEM观察法).
透射电镜观察法(TEM观察法).
纳米TiO2晶粒尺寸分布
•C 透射电镜观察法(TEM观察法).
Ｘ射线法
Ｘ射线法Ｘ射线法比表面积法
比表面积法
方程：吸附质分压P0: 吸附剂饱和蒸汽压
V之间的数量关系，为比表面积测定提供了很好的理论基础。
轴，为方程做图进行线性拟合，得到直线的斜率和截距，从而求得值计算出被测样品比表（二）纳米材料的颗粒尺寸与粒度分析拉曼散射法
拉曼原理：当一束波长为λ的光照射到物质上之后，一部分拉曼散射与粉体粒径的关系：
拉曼散射法
z 特点：灵敏度较低，一般只能测定样品中含量在1%以上的物相，同时，定
量测定的准确度也不高，一般在1%的数量级。
z 所需样品量大（0.1g），才能得到比较准确的结果，对非晶样品不能分析。z 样品的颗粒度对X射线的衍射强度及重现性有大的影响。一般颗粒越大，则参与衍射的晶粒数就越少，且产生初级消光效应，使得强度的重现性较差。
z 要求粉体样品的颗粒度大小在0.1 ～10μm范围。对吸收系数大的样品，参加衍射的晶粒数减少，也会使重现性变差。因此在选择参比物质时，尽可能选择结晶完好，晶粒小于5μm，吸收系数小的样品。
纳米材料的表征与测试技术
纳米材料的表征与测试技术
1纳米材料的表征方法
纳米材料的表征主要包括: 1化学成分; 2纳米粒子的粒径、形貌、分散状况以及物相和晶体结构; 3纳米粒子的表面分析。
1.1化学成分表征
化学成分是决定纳米粒子及其制品性能的最基本因素。常用的仪器分析法主要是利用各种化学成分的特征谱线，如采用X射线荧光分析和电子探针微区分析法可对纳米材料的整体及微区的化学组成进行测定。而且还可以与扫描电子显微镜SEM配合，使之既能利用探测从样品上发出的特征X射线来进行元素分析，又可以利用二次电子、背散射电子、吸收电子信号等观察样品的形貌图像。即可以根据扫描图像边观察边分析成分，把样品的形貌和所对应微区的成分有机的联系起来，进一步揭示图像的本质。此外，还可以采用原子l发射光谱AES、原子吸收光谱AAS对纳米材料的化学成分进行定性、定量分析;采用X射线光电子能谱法XPS可分析纳米材料的表一面化学组成、原子价态、表面形貌、表面微细结构状态及表面能态分布等。
1.2纳米徽粒的衰面分析
(1)扫描探针显徽技术SPM
扫描探针显徽技术SPM以扫描隧道电子显微镜STM ,原子力显徽镜AFM、扫描力显微镜SFM 、弹道电子发射显徽镜BEEM、扫描近场光学显微镜SNOM等新型系列扫描探针显徽镜为主要实验技术，利用探针与样品的不同相互作用，在纳米级乃至原子级的水平上研究物质表面的原子和分子的几何结构及与电子行为有关的物理、化学性质，在纳米尺度上研究物质的特性。
(2)谱分析法
①紫外一可见光谱
由于(金属粒子内部)电子气(等离子体)共振激发或由于带间吸收，它们在紫外——可见光区具有吸收谱带。不同的元素离子具有其特征吸收谱。因此，通过紫外一可见光光谱，特别是与Mie理论的计算结果相配合时，能够获得关于粒子颗粒度、结构等方面的许多重要信息。此技术简单方便，是表征液相金属纳米粒子最常用的技术。另外，紫外一可见光谱可观察能级结构的变化，通过吸收峰位置变化可以考察能级的变化。②红外及拉曼光谱
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3210
CH2Ar CH2NR2 CH2S CCH CH2C=O
CH2=CH-CH3
C3CH C2CH2 C-CH3
环烷烃
对甲苯乙酮的紫外光谱图
0.5
0.4
A 波 长
0.3
A
0.2
0.1
0.0
300
400
500
600
700
800
/nm
/nm
■ 纳米颗粒的表征
常用于测试纳米颗粒的方法有：
包埋法制样
首先把纳米材料试样单层地放置在一片抛光的金属片 上，然后用离子沉积的方法使纳米材料无扰动地包埋在金 属中。从金属片的两面进行磨抛，直至从两面均能观察到 纳米材料试样，即从纳米材料试样中切取了一片微米尺度 的薄膜。最后用离子减薄仪把薄膜减薄到电子束可以穿透 的纳米尺度。切取薄膜过程中应避免使用酸、碱和高温， 必要时避免使用水或水溶液，以保持试样的原组织。
三代显微镜的观察范围及典型物体
TEM 透射电子显微镜
(Transmission Electron Microscope)
透射电子显微镜是以波长很短的电子束做照明 源，用电磁透镜聚焦成像的一种具有高分辨本领， 高放大倍数的电子光学仪器。其主要特点是，测试 的样品要求厚度极薄（几十纳米），以便使电子束 透过样品。
（1）X射线衍射（XRD） 可以鉴定物质晶相的尺寸和大小，并 根据特征峰的位置鉴定样品的物相。
（2）透射电子显微镜（TEM） 可以最直观地给出纳米材料颗粒 的大小、形状、粒度分布等参数。 TEM的分辨率大约为1nm。
（3）扫描电子显微镜（SEM） 利用电子与物质的相互作用进行成 像，主要用于观察纳米粒子的形貌。 SEM的分辨率小于6nm。
■ 化学成分表征
化学成分是在测试纳米材料时首先要确定的问题， 化学成分决定了纳米粒子和其制品的性能。
常用方法
化学分析法
氧化－还原法 沉淀法 中和法 络合法
仪器分析法 利用各种化学成分的特征谱线（如原子发射 光谱、原子吸收光谱、X射线荧光分析、电 子探针微区分析法）对纳米材料的整体及微 区的化学组成进行测定，并对纳米材料的化 学成分进行定性、定量分析。
Байду номын сангаас
扫描隧道电子显微镜（STM）
扫描探针显微技术（SPM） 原子力显微镜（AFM）
近场光学显微镜（SNOM）
红外及拉曼光谱
傅立叶变换远红外光谱
谱分析法
紫外－可见光谱 穆斯堡尔谱学（能得到有关最外层的化学信息）
广延Ｘ射线吸收精细结构光谱（EXAFS）
正电子湮没（PAS）
场离子显微镜（FIM）
热分析
第一代为光学显微镜
② 要选择合适的支持膜。对于粉末样品，由于被观察 的纳米颗粒不可能直接用铜网承载置于电镜中进行观察。因 此需要在铜网上预先粘附一层连续的、厚度约20nm的支持膜， 用滴管将含有纳米粉粒的悬浮液滴在这种粘附有支持膜的铜 网上，静置干燥后供观察使用。
透射电镜工作原理
以高能电子穿过样 品，根据样品不同位置 的电子透过强度不同或 电子透过晶体样品衍射 方向不同，经过后面电 磁透镜的放大后，在荧 光屏上显示出图像。
X射线 光
入射电子 俄歇电子 背散射电子
二次电子
样品
弹性散射电子
非弹性散射电子
透射电子
电子束与固体物质相互作 用产生的信息示意图
silica nanotubes polypyrrole
19世纪30年代后期所发 明，它使人类“看”到了致 病的细菌、微生物和微米级 的微小物体，对社会的发展 起了巨大的促进作用，至今 仍是主要的显微工具 。
第二代为电子显微镜
20世纪三十年代早 期卢斯卡发明了电子显微 镜，使人类能”看”到病 毒等亚微米的物体，它与 光学显微镜一起成了微电 子技术的基本工具。
N
液氮层
无线电波 振荡器
真空层
样品管
S
真空层
记录仪
放大器
液氦层
特征质子的化学位移值
OH
0.5(1)—5.5
NH2 NH
2—4.7
6—8.5
1.7—3
10.5—12
9—10
4.6—5.9
0.2—1.5
13 12 11 10 9 8 7 6 5 4
RCOOH
R
RCHO
CR2=CH-R
H
CH2F CH2Cl CH2Br CH2I CH2O CH2NO2
优点① 可以观察纳米团簇的组装过程及其微观结构 ② 可以很好的观察材料的侧面 ③ 利用从纳米颗粒中切取透射电镜薄膜可以对纳米颗粒 尺寸进行比较准确的测量，并且可以用电子衍射研究 其微观结构 ④ 可以对粉体颗粒表面改性进行研究
粉末样品的制备
注意：① 要克服粉末的团聚。由于纳米材料表面效应大、吸 附能力强、极易团聚，通常所用的粉末制样方法不能将颗粒 分散开。对于纳米粉末，干撒于载网上观察到的是团聚块， 很难分辨出粒子的大小与形状，而且易滑落污染镜筒。
要想摄制出一张高质量的TEM 照片，首先需要 制备出合格的透射电镜样品。用透射电镜研究材料 微观结构时，试样必须是透射电镜电子束可以穿透 的纳米厚度的薄膜。
纳米颗粒或纳米纤维一般是透射电镜电子束可 以直接穿透的，研究者通常把试样直接放在微栅上 进行透射电镜观察。但由于纳米颗粒或纳米纤维容 易团聚，因此用这种方法常常得不到理想的结果。
所谓“眼睛”，即可利用SPM直接观察原子、 分子以及纳米粒子的相互作用与特性。
所谓“手”，是指SPM可用于移动原子、构 造纳米结构，同时为科学家提供在纳米尺度下研究 新现象、提出新理论的微小实验室
同时，与纳米材料的制备过程相结合，以及与 纳米器件性能检测相结合的多种新型纳米检测技术 的研究和开发也受到广泛重视。如激光镊子技术可 用于操纵单个生物大分子。
第三代为扫描探针显微镜
也可简称为纳米显微镜。1981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； 1985年比尼格应奎特（C.F.Quate）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。
（4）激光散射法 用于测试纳米粒子的粒径大小、粒径分布等。
■ 纳米颗粒表面(形貌)分析
为在纳米尺度上研究材料和器件的结构及性能，发现新 现象，发展新方法，创造新技术，必须建立纳米尺度的检测 与表征手段。这包括在纳米尺度上原位研究各种纳米结构的 电、力、磁、光学特性，纳米空间的化学反应过程，物理传 输过程，以及研究原子或分子的排列、组装与奇特物性的关 系。扫描探针显微镜(SPM)的出现，标志着人类在对微观尺 度的探索方面进入到一个全新的领域。作为纳米科技重要研 究手段的SPM也被形象地称为纳米科技的“眼”和“手”。