第四章 纳米材料的测试分析技术

第四章 纳米材料的测试 分析技术
第四章 纳米材料的测试分析技术 4.1 概述
纳米科学在20世纪 年代末进入繁荣时期是与一系列材 纳米科学在 世纪80年代末进入繁荣时期是与一系列材 世纪 料分析仪器和技术的发展密切相关的。 料分析仪器和技术的发展密切相关的。 20世纪 年代以后，电子显微镜技术被广泛采用。 世纪60年代以后 电子显微镜技术被广泛采用。 世纪 年代以后， 20世纪 年代初发明的扫描隧道显微技术及其衍生物 ， 世纪80年代初发明的扫描隧道显微技术及其衍生物 世纪 年代初发明的扫描隧道显微技术及其衍生物， 使人们考察材料在0.1-100nm尺度上的表面结构。 尺度上的表面结构。 使人们考察材料在 尺度上的表面结构 20世纪 年代初借助 世纪90年代初借助 世纪 年代初借助SPM技术已能搬动原子组成纳米结 技术已能搬动原子组成纳米结 构图案。 构图案。
4.2 电子显微分析
仪器操作复杂； 仪器操作复杂； 样品制备较复杂。 样品制备较复杂。 电子显微镜的种类主要有： 电子显微镜的种类主要有： 透射电子显微镜（ 透射电子显微镜（TEM） ） 扫描电子显微镜（ 扫描电子显微镜（SEM） ） 电子探针显微分析（ 电子探针显微分析（EPMA） ） 扫描透射电子显微镜（ 扫描透射电子显微镜（STEM） ）
第四章 纳米材料的测试分析技术 4.1 概述
现在使用高分辨率电镜及能谱技术进行材料组成分析的 空间分辨率已能达到0.5-1nm，使用聚焦离子束工作站已 ， 空间分辨率已能达到 能够对纳米碳管等基元进行电极焊接等微观加工操作， 能够对纳米碳管等基元进行电极焊接等微观加工操作 ， 使用STM已能够研究小尺寸纳米粒子的导电行为。 已能够研究小尺寸纳米粒子的导电行为。 使用 已能够研究小尺寸纳米粒子的导电行为 纳米材料的分析包括组分与结构的表征和性能的研究两 个方面。 个方面。
4.1 概述 4.1.3 纳米材料的形貌分析
纳米材料的性能不仅与材料颗粒大小有关， 纳米材料的性能不仅与材料颗粒大小有关，还与材料 的形貌有重要关系。 的形貌有重要关系。 如颗粒状纳米材料与纳米线和纳米管的物理化学性能 有很大的差异。 有很大的差异。
4.1 概述 4.1.3 纳米材料的形貌分析
形貌分析的主要内容是分析材料的几何形貌， 形貌分析的主要内容是分析材料的几何形貌，材料的 颗粒度，及颗粒度的分布以及形貌微区的成份和物相 颗粒度， 结构等方面 ； 常用的形貌分析方法有：扫描电子显微镜、 常用的形貌分析方法有：扫描电子显微镜、透射电子 显微镜、扫描隧道显微镜和原子力显微镜。 显微镜、扫描隧道显微镜和原子力显微镜。
透射电子显微分析（TEM） 4.2.1 透射电子显微分析（TEM）
TEM形貌分析 4.2.1.4 TEM形貌分析
具有很高空间分辩能力，特别适合纳米粉体材料分析。 具有很高空间分辩能力，特别适合纳米粉体材料分析。 特点是样品使用量少， 不仅可以获得样品的形貌， 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， 大小 ， 分布 ， 还可以获得特定区域的元素组成及物相结 构信息。 构信息。 比较适合纳米粉体样品的形貌分析， 比较适合纳米粉体样品的形貌分析 ， 但颗粒大小应小于 300nm。对块体样品，一般需要对样品进行减薄处理。 。对块体样品，一般需要对样品进行减薄处理。
透射电子显微分析（TEM） 4.2.1 透射电子显微分析（TEM）
TEM图像实例 4.2.1.5 TEM图像实例
原淋巴细胞的TEM 原淋巴细胞的
乙肝病毒的TEM 乙肝病毒的
透射电子显微分析（TEM） 4.2.1 透射电子显微分析（TEM）
TEM图像实例 4.2.1.5 TEM图像实例
(a) (b)
透射电子显微分析（TEM） 4.2.1 透射电子显微分析（TEM）
4.2.1.2 构造
照明系统的作用是提供亮度高、相干性好、 照明系统的作用是提供亮度高、相干性好、束流稳定 的照明电子束。 的照明电子束。它主要由发射并使电子加速的电子枪 和会聚电子束的聚光镜组成。 和会聚电子束的聚光镜组成。 成像系统由物镜、中间镜（ 个 和投影镜（ 个 成像系统由物镜、中间镜（1-2个）和投影镜（1-2个） 组成。 组成。成像系统的两个基本操作是将衍射花样或图像 投影到荧光屏上。 投影到荧光屏上。
4.2 电子显微分析 透射电子显微分析（TEM） 4.2.1 透射电子显微分析（TEM）
图4-1 各种型号透射电镜的外形照片
透射电子显微分析（TEM） 4.2.1 透射电子显微分析（TEM） 4.2.1.1 工作原理
在成像原理上与光学显微镜类似。 在成像原理上与光学显微镜类似。 它们的根本不同点在于光学显微镜以可见光作照明束， 它们的根本不同点在于光学显微镜以可见光作照明束 ， 透射电子显微镜则以电子为照明束。 透射电子显微镜则以电子为照明束。 在光学显微镜中将可见光聚焦成像的玻璃透镜， 在光学显微镜中将可见光聚焦成像的玻璃透镜 ， 在电子 显微镜中相应的为磁透镜。 显微镜中相应的为磁透镜。 由于电子波长极短，同时与物质作用遵从布拉格（ 由于电子波长极短，同时与物质作用遵从布拉格（Bragg） ） 定律， 产生衍射现象， 使得透射电镜自身在具有高的像 定律 ， 产生衍射现象 ， 分辨本领的同时兼有结构分析的功能。 分辨本领的同时兼有结构分析的功能。
4.1 概述 4.1.2 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， 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， 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。 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份， 形貌， 粒度， 主要从纳米材料的成份 ， 形貌 ， 粒度 ， 结构以及表面界 面分析等几个方面进行简单的介绍。 面分析等几个方面进行简单的介绍。 力图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。 析方法在纳米材料表征上的具体应用。
透射电子显微分析（TEM） 4.2.1 透射电子显微分析（TEM）
4.2.1.3 像衬度
像衬度是图像上不同区域间明暗程度的差别。 像衬度是图像上不同区域间明暗程度的差别 。衬度的存 在，才使得我们能够观察到各种具体的图像。 才使得我们能够观察到各种具体的图像。 透射电镜的像衬度与所研究的样品材料自身的组织结构、 透射电镜的像衬度与所研究的样品材料自身的组织结构 、 所采用的成像操作方式和成像条件有关。 所采用的成像操作方式和成像条件有关。 透射电镜的像衬度来源于样品对入射电子束的散射。 透射电镜的像衬度来源于样品对入射电子束的散射。
4.1 概述 4.1.1 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、 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； 高硬度、高磁化率等； 纳米科学和技术是在纳米尺度上研究物质的特性和相互 作用，并且利用这些特性的多学科的高科技。 作用，并且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。 纳米生物学、纳米光学、纳米化学等领域。
4.2 电子显微分析
优点： 优点： 可做形貌观察且具有高空间分辨率，可做结构分析； 可做形貌观察且具有高空间分辨率，可做结构分析； 可观察材料的表面与内部结构； 可观察材料的表面与内部结构； 可同时研究材料的形貌、结构与成分。 可同时研究材料的形貌、结构与成分。 局限性： 局限性： 仪器价格昂贵； 仪器价格昂贵； 分析结果较困难； 分析结果较困难；
透射电子显微分析（TEM） 4.2.1 透射电子显微分析（TEM）
4.2.1.1 工作原理
图4-2 透射电子显微镜的光路原理示意图
透射电子显微分析（TEM） 4.2.1 透射电子显微分析（TEM）
4.2.1.1 工作原理
针对不同的测试样品，阳极加速电压是不同的： 针对不同的测试样品，阳极加速电压是不同的： 生物样品多采用80-100kV； ； 生物样品多采用 金属、陶瓷等多采用 金属、陶瓷等多采用120kV、200 kV、300 kV； 、 、 ； 超高压电镜则高达1000-3000kV。 。 超高压电镜则高达 电子的穿透能力很弱， 样品必须很薄（ 电子的穿透能力很弱 ， 样品必须很薄 （ 其厚度与样品成 分、加速电压等有关，一般约小于200nm）。 加速电压等有关，一般约小于 ）
110得的ZnO的TEM 的 不同条件制得的
200nm 240nm
扫描电子显微分析（SEM） 4.2.2 扫描电子显微分析（SEM）
各种型号扫描电镜的外形照片
扫描电子显微分析（SEM） 4.2.2 扫描电子显微分析（SEM）
4.2.2.1 扫描电镜构造
主要由电子光学系统（ 镜筒） 信号检测放大系统、 主要由电子光学系统 （ 镜筒 ） 、 信号检测放大系统 、 显 示系统、真空系统和电源系统组成。 示系统、真空系统和电源系统组成。 电子光学系统的作用是产生一个细电子束照射到试样表 由电子枪、电磁聚光镜、 光栏、样品室等部件组成。 面 ， 由电子枪 、 电磁聚光镜 、 光栏 、 样品室等部件组成 。 仅仅用于获得扫描电子束。 仅仅用于获得扫描电子束。 信号检测放大系统的作用是收集样品在入射电子束作用 下产生的各种物理信号，并进行放大。 下产生的各种物理信号，并进行放大。
4.2 电子显微分析 透射电子显微分析（TEM） 4.2.1 透射电子显微分析（TEM）
透射电子显微镜（ 简称透射电镜， 透射电子显微镜 （ 简称透射电镜 ， TEM） 可以几种 ） 不 同 的 形 式 出 现 ， 如 HRTEM （ 高 分 辨 电 镜 ） ， STEM（ 透射扫描电镜 ） ， AEM（ 分析型电镜 ） 等 。 （ 透射扫描电镜） （ 分析型电镜） 入射电子束也有两种主要形式：平行束和会聚束。 入射电子束也有两种主要形式：平行束和会聚束。