透射电镜比较适合纳米粉体样品的形貌分析
纳米材料形貌分析p-形貌分析
扫描原子力显微镜可以对纳米薄膜进行 形貌分析，分辨率可以达到几十纳米，比扫 描隧道显微镜差，但适合导体和非导体样品， 不适合纳米粉体的形貌分析。
图 扫描电镜原理示意图
图 JSM-5600LV扫描电镜外观图
4. 扫描电镜的结构
扫描电镜一般由电子光学系统、扫描系 统、信号的检测及放大系统、图像的显示与 记录系统、真空系统和电源系统组成。
电子光学系统主要由电子枪、电磁聚光 镜、光阑、等组成。它不是用来成像而仅仅 是用此获得一束高能量细聚焦的电子束作为 使样品产生各种信号的激发源。
扫描电镜景深大，成像富有很强的立体 感，是SEM的一大特点。1000倍下景深最 大约为100 μm，比光学显微镜高出100倍，
扫描电镜的放大倍率变化范围宽，可从几 倍到几十万倍，填补了光学显微镜和透射电镜 之间的空隙。放大倍率的改变是通过调节控制 镜筒中电子束偏转角度的扫描线圈中的电流实 现的，故放大倍数连续可调，操作快速、容易， 对试样的观察非常方便。目前，使用的普通扫 描电镜的放大倍率多为20倍~20万倍左右，有 的最低可到5倍。场发射扫描电镜具有更高的 放大倍率，一般可达到60万~80万倍，最高达 2×106倍（S-5200型），这样宽的放大倍率 可以满足各种样品观察的需要。
图 电子束作用下固体样品 发射的电子能谱
3. 扫描电镜的工作原理
由热阴极发射出的电子聚焦、加速，在 栅极与阳极之间形成一个笔尖状的具有很高 能量的电子束斑（交叉斑），称之为电子源。 这个电子束斑再经聚光镜（磁透镜）压缩， 会聚成极细的电子束聚焦在样品表面上，这 个高能量细聚焦的电子束在扫描线圈作用下， 在样品表面上扫描，与样品相互作用，激发 产生各种物理信号。
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。
对于不同原理的粒度分析仪器，所依据的测量原理不同，其颗粒特性也不同，只能进行有效对比，不能进行横向直接对比。
由于粉体材料颗粒形状不可能都是均匀球形的，有各种各样的结构，因此，在大多数情况下粒度分析仪所测的粒径是一种等效意义上的粒径，和实际的颗粒大小分布会有一定的差异，因此只具有相对比较的意义。
此外，各种不同粒度分析方法获得的粒径大小和分布数据也可能不能相互印证，不能进行绝对的横向比较。
XRD与TEM的使用区别
1样品物象的表征包括形貌、粒度和晶相三个方面。
物相分析一般使用X－射线粉末衍射仪（XRD）和电子显微镜。
形貌和粒度可通过扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）直接观测到粒子的大小和形状。
但由于电镜只能观测局部区域，可能产生较大的统计误差。
晶粒（注意粒子的大小和晶粒的大小不是一个概念，在多数情况下纳米粒子是由多个完美排列的晶粒组成的）的晶相和大小，虽然也可通过更强的场发射透镜（HRTEM）得到，但是机器昂贵、操作复杂，所以实验室一般使用X－射线粉末衍射仪。
下面就简单介绍两种大型分析仪器：XRD和TEM。
X－射线仪(XRD)当高速电子撞击靶原子时，电子能将原子核内K层上一个电子击出并产生空穴，此时具有较高能量的外层电子跃迁到K层，其释放的能量以X－射线的形式（K系射线，电子从L层跃迁到K层称为Kα）发射出去。
X－射线是一种波长很短的电磁波，波长范围在0.05～0.25 nm之间。
常用铜靶的波长为0.152nm。
它具有很强的穿透力。
X－射线仪主要由X光管、样品台、测角仪和检测器等部件组成。
XRD物相定性分析物相定性分析的目的是利用XRD衍射角位置以及强度，鉴定未知样品是由哪些物相组成。
它的原理是：由各衍射峰的角度位置所确定的晶面间距d以及它们的相对强度I/ I1是物质的固有特性。
每种物质都有其特定的晶体结构和晶胞尺寸，而这些又与衍射角和衍射强度有着对应关系，因此，可以根据衍射数据来鉴别物质结构。
通过将未知物相的衍射花样与已知物质的衍射花样相比较，逐一鉴定出样品中的各种物相。
目前，可以利用粉末衍射卡片进行直接比对，也可以计算机数据库直接进行检索。
XRD粒度分析纳米材料的晶粒尺寸大小直接影响到材料的性能。
XRD可以很方便地提供纳米材料晶粒度的数据。
测定的原理基于样品衍射线的宽度和材料晶粒大小有关这一现象。
当晶粒小于100 nm时，其衍射峰随晶粒尺寸的变大而宽化。
当晶粒大于100 nm时，宽化效应则不明显。
透射电镜送样须知
送样禁忌
以下样品不可进行测试
具有放射性和腐蚀性的样品。 具有磁性的样品需提前咨询，以便确定是否可以测试。
在真空中会释放大量气体的样品，例如：含有单体的聚合物、含有反应物或产物的
催化剂等，尤其释放的气体具有腐蚀性的样品。 易挥发和易升华的样品（例如：单质Na、K、 S、P、Zn、Se、As、I、Te、Hg和低分 子量的有机物等）。 有剧烈化学毒性和生物毒性的样品。 所有样品的氢、氦元素不能测试。
送样禁忌
（1）磁性样品谢绝测试。 （2）粒径<2nm的样品在JEM-2100透射电镜上图像 质量较差或无法分辨，建议至场发射透射电镜上 测试。 （3）氮含量<10 wt%的氮掺杂样品在JEM-2100透射 电镜的能谱仪上难以测出N元素，建议至场发射透 射电镜及能谱上测试。
X射线光电子能谱送样须知
制样要求
（1）常规样品需自行制备在透射电镜专用铜网上，晾干后 于网上预约测试日前一天或预约当日上午9：00以前送往透 射电镜室待测。 （2）需要包埋/固定/超薄切片的样品无需网上预约，请直 接携带样品至透射电镜室现场咨询、预约。 （3）细菌、病毒类样品需灭活后自行制备在铜网上并染色 后送往透射电镜室。 （4）其他需磷钨酸负染的样品可送至透射电镜室制样。 （5）JEM-2100透射电镜的能谱mapping测试一般要求待测样 品>50 nm，待测元素含量>5 wt%。测试铜元素时需使用钼 网制样，碳元素不适合做能谱。 （6）需要电解双喷/离子减薄前处理的样品可至透射电镜室 借用相关设备自行前处理。
透射电镜送样须知
仪器型号
预约和付费编号
JEM-2100
20114940
JEM-1400
20114941
纳米材料的透射电镜表征
图 9 一个钽粉颗粒切面形貌图的 SEM 照片
金属 ,因此 ,从钽粉颗粒中切取一片纳米尺度的薄膜 是非常困难的 。用本实验技术成功地从钽粉颗粒中 切取了纳米尺度的薄膜 ,图 10 为钽粉颗粒薄膜局部 的透射电镜照片 。钽粉颗粒放置在空气中很容易吸 氧 ,图 11 为通道壁边沿的高分辨电镜照片 。由图可 以看出 ,渗氧层厚度为 5～7nm。
参考文献
图 11 钽粉颗粒通道壁边沿的高分辨电镜照片
在制 备 钽 电 容 时 , 钽 粉 通 道 壁 被 氧 化 成 一 层 Ta2O5 纳米介质膜 ,介质膜的质量影响着钽电容的质 量 。透射电镜研究结果表明 ,介质膜上的裂纹是导至
现代科学仪器 2003 2
[1 ] 方克明 ,邹兴 ,许燕. 沸石分子筛中半导体纳米团簇的制备 ,过程 工程学报 ,2002 (增刊) ,522
纳米材料的透射电镜表征
方克明1 邹 兴1 苏继灵2
(1 北京科技大学 北京 100083) (2 河南省化工研究所 郑州 450052)
摘 要 用金属包埋技术可以从纳米材料中切取纳米尺度的薄膜 ,用透射电镜或高分辨电镜研究纳米材料的微
观形貌和微观结构 。 关键词 纳米材料 ;透射电镜 ;表征 中图分类号 TB383
Abstract Transmission Electron Microscope is an important instrument used to research the microstructure of nano2materials. A nano2scaled film can be cut from nano2materials by the technology of metal encapsulation. The inner morphology and microstructure of nano2materials are researched by TEM or HREM.
透射电镜的原理和应用
透射电镜的原理和应用透射电镜（Transmission Electron Microscope，简称TEM）是一种使用电子束来对物质进行成像和分析的先进仪器。
相对于光学显微镜，透射电镜的分辨率更高，可以观察到更小尺寸的物体和更细微的细节。
下文将详细介绍透射电镜的原理和应用。
一、原理透射电镜的工作原理基于电子的波粒二象性。
当高速电子束穿过薄样品时，电子与样品原子发生散射或透射，这些散射和透射电子可以通过其中一种方式被聚焦后投射到屏幕上形成影像。
透射电镜的主要组成部分包括电子源、电子透镜系统、样品台、检测器和成像系统。
2.电子透镜系统：透射电镜中使用的电子透镜系统包括凸透镜、凹透镜和电磁透镜等，用于聚焦和控制电子束的路径。
3.样品台：样品台用于固定和支持待观察的样品。
在样品台上放置薄到几十纳米的切片样品，以便电子束能够透过。
4.检测器：透射电镜中常用的检测器包括透射电子探测器（TED）、散射电子探测器（SED）和能量散射光谱仪（EDS）等。
TED用于接收透射电子并产生明亮的影像，SED用于检测和分析散射电子的信息，EDS用于分析样品中的元素组成。
5.成像系统：透射电镜的成像系统包括投影屏幕、摄像机和电子显微图像处理设备。
通过调整电子透镜系统，可以将电子束上的信息转换成实时图像并显示在投影屏幕上。
二、应用透射电镜在材料科学、生物科学、纳米科学等领域有广泛的应用。
以下是透射电镜的几个主要应用。
1.结构表征：透射电镜可以用于观察材料的结构和形貌。
它能够提供高分辨率的图像，揭示物质的晶体结构、晶体缺陷、晶界和相界等微观结构信息。
2.成分分析：透射电镜结合能量散射光谱仪（EDS）可以分析样品中元素的组成。
EDS通过测量样品上散射电子的能量，确定样品中元素的成分和含量。
3.纳米材料研究：透射电镜可以研究和制备纳米尺寸的材料。
通过观察和测量纳米材料的形貌、尺寸和结构，可以了解纳米材料的特性和性能，并指导纳米材料的设计和合成。
纳米尺度下的材料表征方法与技巧
纳米尺度下的材料表征方法与技巧随着纳米科技的不断发展，纳米材料的研究和应用已经深入到各个领域。
纳米材料的特殊性质和表征成为了研究人员关注的焦点之一。
在纳米尺度下，传统的材料表征方法已经无法满足需求，因此发展出了一系列针对纳米材料的表征方法与技巧。
本文将介绍几种常见的纳米尺度下的材料表征方法，并探讨其应用和局限性。
一、透射电子显微镜（TEM）透射电子显微镜是研究纳米尺度材料中结构和成分的重要工具。
TEM可以提供高分辨率的成像，并能够观察到材料的晶格结构、界面和缺陷等信息。
通过TEM，研究人员可以直接观察到纳米尺度下的材料形貌和结构特征，如颗粒大小、形状和分布等。
然而，TEM的应用也存在一些限制。
首先，样品制备对于TEM观察非常关键，需要制备出透明度较高的薄片样品。
其次，TEM对于样品的尺寸有一定要求，太小的样品可能会导致信号噪音比较大。
二、原子力显微镜（AFM）原子力显微镜是一种能够实现纳米尺度下的表面形貌和机械性能表征的工具。
AFM通过探针与样品表面的相互作用，可以测量出样品表面的高度和力学性质。
通过AFM，研究人员可以观察到纳米尺度下的表面形貌、纳米颗粒的尺寸和形状，甚至可以对纳米颗粒进行力学测试。
然而，AFM也存在一些局限性。
首先，AFM的观察范围相对较小，一次只能观察到个别颗粒。
其次，AFM的准确度受到多种因素的影响，如探针质量、环境湿度等。
三、拉曼光谱拉曼光谱是一种基于物质分子的振动和旋转能级跃迁而产生的光谱。
利用激光照射材料，测量散射的光强度和频移，可以得到纳米材料的化学成分和结构信息。
通过拉曼光谱，研究人员可以检测到纳米材料的结构、晶格振动和分子间相互作用等信息。
然而，拉曼光谱也存在一些挑战。
首先，信号强度较弱，需要较长的测量时间。
其次，对于一些化学组成较复杂的材料，拉曼光谱的解析和归属可能较为困难。
四、X射线衍射（XRD）X射线衍射是一种通过材料晶体结构对X射线的衍射现象进行分析的方法。
透射电子显微镜TEM
JEM-2010透射电镜
加速电压200KV LaB6灯丝 点分辨率 1.94Å
JEM-2010透射电镜
加速电压200KV LaB6灯丝 点分辨率 1.94Å
EM420透射电子显微镜
加速电压20KV、40KV、60KV、 80KV、100KV、120KV 晶格分辨率 2.04Å 点分辨率 3.4Å 最小电子束直径约2nm 倾转角度α=±60度
扫描发生仪
电子束
显象管 和X-Y 记录仪扫描线圈Fra bibliotek数据 处理
能量选择光阑
入射光阑
放大器
探测器
电子能量 分析仪
图1-14 扫描电子衍射和电子能谱分析附件示意图
2 . 真空系统
为了保证在整个通道中只与试样发生相互作用，而
不与空气分子发生碰撞，因此，整个电子通道从电子
枪至照相底板盒都必须置于真空系统之内，一般真空
β=±30度
CEISS902电镜
加速电压50KV、80KV W灯丝 顶插式样品台 能量分辨率1.5ev 倾转角度α=±60度
Philips CM12透射电镜
加速电压20KV、40KV、60KV、80KV 、100KV、120KV LaB6或W灯丝 晶格分辨率 2.04Å 点分辨率 3.4Å 最小电子束直径约2nm； 倾转角度α=±20度
透射电子显微镜 （TEM）
内容提要 1.透射电镜的结构 2.透射电镜的成像原理 3.电子衍射 4.透射电镜样品的制备
目前，风行于世界的大型电镜，分辨本领为2~3 埃， 电压为100～500kV，放大倍数50~1200000倍。由于材料 研究强调综合分析，电镜逐渐增加了一些其它专门仪器附件， 如扫描电镜、扫描透射电镜、X射线能谱仪、电子能损分析 等有关附件，使其成为微观形貌观察、晶体结构分析和成分 分析的综合性仪器，即分析电镜。
透射电镜比较适合纳米粉体样品的形貌分析
电子衍射原理
当波长为λ的单色平面电子波以入射角θ 照射到晶面间
距为d的平行晶面组时，各个晶面的散射波干涉加强的
条件是满足布拉格关系： 2dsinθ =nλ
入射电子束照射到晶体上，一部分透射出去，一部分 使晶面间距为d的晶面发生衍射，产生衍射束。
电子衍射原理
当一电子束照射在单晶体薄膜上时，透射束穿过薄膜到达 感光相纸上形成中间亮斑；衍射束则偏离透射束形成有规 则的衍射斑点
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，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 结构等方面
纳米材料常用的形貌分析方法主要有：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。
SEM形貌分析
扫描电镜分析可以提供从数纳米到毫米范围内的形貌像， 观察视野大，其分辩率一般为6纳米，对于场发射扫描电 子显微镜，其空间分辩率可以达到0.5纳米量级。
透射电镜比较适合纳米粉体样品的形貌分析，但颗 粒大小应小于300nm，否则电子束就不能透过了。 对块体样品的分析，透射电镜一般需要对样品进行 减薄处理。
高分辨TEM
高分辨TEM是观察材料微观结构的。不仅可以获得 晶胞排列的信息，还可以确定晶胞中原子的位置。
200KV的TEM点分辨率为0.2nm，1000KV的TEM 点分辨率为0.1nm。
拉曼散射的产生原因是光子与分子之间发生了能量交换， 改变了光子的能量。
在固体材料中拉曼激活的机制很多，反映的范围也很 广：如分子振动，各种元激发（电子，声子，等离子 体等），杂质，缺陷等
应用：晶相结构，颗粒大小，薄膜厚度，固相反应， 细微结构分析，催化剂等方面
主要用于表面和薄膜表征
纳米材料的测试与表征
高分子纳米微球研究
沉降法粒度分析
沉降法的原理是基于颗粒在悬浮体系时，颗粒本 身重力(或所受离心力)、所受浮力和黏滞阻力三 者平衡，并且黏滞力服从斯托克斯定律
（F=6πrηv）来实施测定的，此时颗粒在悬浮体
• 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
原子吸收光谱法(AAS)
• 根据蒸气相中被测元素的基态原子对其原子共振 辐射的吸收强度来测定试样中被测元素的含量；
• 适合对纳米材料中痕量金属杂质离子进行定量测 定，检测限低 ，10－10－10－14 g/cm3
• 测量准确度很高 ，1%（3-5%） • 选择性好 ，不需要进行分离检测 • 分析元素范围广 ，70多种 • 不能同时进行多元素分析
• 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
• HRTEM是观察材料微观结构的方法。不仅 可以获得晶包排列的信息，还可以确定晶 胞中原子的位置。
• 200KV的TEM点分辨率为0.2nm，1000KV 的TEM点分辨率为0.1nm。
电感耦合等离子体发射光谱法（ICP）
• ICP是利用电感耦合等离子体作为激发源，根据处于激发 态的待测元素原子回到基态时发射的特征谱线对待测元素 进行分析的方法
《纳米材料》复习题
《纳米材料》复习题《纳米材料》复习题一、名词解释1. 量子尺寸效应当粒子尺寸下降到一定值时, 颗粒的周期性边界条件消失，在声、光、电磁、热力学及超导性等与宏观特性显著不同.金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象，纳米半导体微粒存在不连续的最高能级占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级的能隙变宽现象均称为量子尺寸效应。
2. 纳米材料是指材料的几何尺寸达到纳米级尺度,并且具有特殊性能的材料。
3. 共沉淀在混合的金属盐溶液(含有两种或两种以上的金属离子)中加入合适的沉淀刹，反应生成组成均匀的沉淀。
沉淀热分解得到高纯超微粉体材料。
4. 压电效应没有电场作用，由机械应力的作用而使电解质晶体产生极化并形成晶体表面电荷的现象称为压电效应。
5. 机械力化学物料粒子受到机械力作用而被粉碎时，还会发生物质结构及表面物理化学性质的变化，这种因机械载荷作用导致粒子晶体结构和物理化学性质的变化称为机械力化学。
6. 小尺寸效应当纳米粒子的尺寸与光波波长、德布罗意波长、超导态的相干长度或(与)磁场穿透深度相当或更小时，晶体周期性边界条件将被破坏，非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近的原子密度减小，导致声、光、电、磁、热力学等特性出现异常的现象---小尺寸效应。
7. 热压烧结将干燥粉料充填入模型内，再从单轴方向边加压边加热，使成型和烧结同时完成的一种烧结方法。
8. 均匀沉淀利用某一化学反应，使溶液中的构晶离子（构晶负离子或构晶正离子）由溶液中缓慢、均匀地释放出来，通过控制溶液中沉淀剂浓度，使溶液中的沉淀处于平衡状态，且沉淀能在整个溶液中均匀地出现，这种制备纳米粒子的方法称为均相沉淀法。
9. 溶胶凝胶方法溶胶凝胶法是指金属有机和无机化合物经过溶液、溶胶、凝胶而固化，再经热处理而形成氧化物或其它化合物纳米材料的方法。
10. 纳米复合材料是指尺度为1 nm一100 nm的超微粒经压制、烧结或溅射而成的凝聚态固体。
它具有断裂强度高、韧性好，耐高温等特性。
几种常用的材料测试方法分析总结
成分分析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。
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。
体相元素成分分析是指体相元素组成及其杂质成分的分析，其方法包括原子吸收、原子发射ICP、质谱以及X射线荧光与X射线衍射分析方法；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；而X射线荧光与衍射分析方法可以直接对固体样品进行测定因此又称为非破坏性元素分析方法。
表面与微区成份分析X射线光电子能谱（X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS）；（10纳米，表面）俄歇电子能谱（Auger electron spectroscopy，AES）；（6nm，表面）二次离子质谱（Secondary Ion Mass Spectrometry, SIMS）；（微米，表面）电子探针分析方法；（0.5微米，体相）电镜的能谱分析；（1微米，体相）电镜的电子能量损失谱分析；（0.5nm）为达此目的，成分分析按照分析手段不同又分为光谱分析、质谱分析和能谱分析。
光谱分析主要包括火焰和电热原子吸收光谱AAS，电感耦合等离子体原子发射光谱ICP-OES，X-射线荧光光谱XFS和X-射线衍射光谱分析法XRD；（1）原子吸收光谱（Atomic Absorption Spectrometry, AAS）又称原子吸收分光光度分析。
原子吸收光谱分析是基于试样蒸气相中被测元素的基态原子对由光源发出的该原子的特征性窄频辐射产生共振吸收，其吸光度在一定范围内与蒸气相中被测元素的基态原子浓度成正比，以此测定试样中该元素含量的一种仪器分析方法。
原子吸收分析特点：（a）根据蒸气相中被测元素的基态原子对其原子共振辐射的吸收强度来测定试样中被测元素的含量；（b）适合对纳米材料中痕量金属杂质离子进行定量测定，检测限低，ng/cm3，10-10—10-14g；（c）测量准确度很高，1%（3—5%）；（d）选择性好，不需要进行分离检测；（e）分析元素范围广，70多种；应该是缺点（不确定）：难熔性元素，稀土元素和非金属元素，不能同时进行多元素分析；（2）电感耦合等离子体原子发射光谱(Inductivelycoupledplasmaatomicemissionspectrometry,ICP-AES)ICP是利用电感耦合等离子体作为激发源，根据处于激发态的待测元素原子回到基态时发射的特征谱线对待测元素进行分析的方法；可进行多元素同时分析，适合近70种元素的分析；很低的检测限，一般可达到10-1～10-5μg/cm-3；稳定性很好，精密度很高，相对偏差在1%以内，定量分析效果好；线性范围可达4～6个数量级；但是对非金属元素的检测灵敏度低。
超细粉体制备-SEM分析
目前扫描电镜的分辨力为6~10nm，人眼能够区别荧光屏上两 个相距0.2mm的光点，则扫描电镜的最大有效放大倍率为 0.2mm/10nm=20000X。 它是依据电子与物质的相互作用。当一束高能的入射电子 轰击物质表面时，被激发的区域将产生二次电子、俄歇电子、 特征x射线和连续谱X射线、背散射电子、透射电子，以及在可 见、紫外、红外光区域产生的电磁辐射。同时，也可产生电子 -空穴对、晶格振动（声子）、电子振荡（等离子体）。 原则上讲，利用电子和物质的相互作用，可以获取被测样 品本身的各种物理、化学性质的信息，如形貌、组成、晶体结 构、电子结构和内部电场或磁场等等。扫描电子显微镜正是根 据上述不同信息产生的机理，采用不同的信息检测器，使选择 检测得以实现。如对二次电子、背散射电子的采集，可得到有 关物质微观形貌的信息；对x射线的采集，可得到物质化学成 分的信息。
其他形貌分析方法:透射电镜(TEM)、扫描隧道电子显微镜 （STM）、原子力显微镜（AFM）。 透射电镜具有很高的空间分辩能力，特别适合纳米粉体材 料的分析。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。透射电镜比较适合纳米粉体样品的形貌分析，但颗粒大 小应小于300nm，否则电子束就不能透过了。对块体样品的分 析，透射电镜一般需要对样品进行减薄处理 扫描隧道显微镜主要针对一些特殊导电固体样品的形貌分 析。可以达到原子量级的分辨率，但仅适合具有导电性的薄膜 材料的形貌分析和表面原子结构分布分析，对纳米粉体材料不 能分析。 扫描原子力显微镜可以对纳米薄膜进行形貌分析，分辨率 可以达到几十纳米，比STM差，但适合导体和非导体样品，不 适合纳米粉体的形貌分析。
失效分析常用工具介绍透射电镜（TEM）TEM一般被使用来分析样品形貌
失效分析常用工具介绍透射电镜（TEM）TEM一般被使用来分析样品形貌（morhology），金相结构（crystallographic structure）和样品成分分析。
TEM比SEM系统能提供更高的空间分辨率，能达到纳米级的分辨率，通常使用能量为60-350keV的电子束。
与TEM需要激发二次电子或者从样品表面发射的电子束不同，TEM收集那些穿透样品的电子。
与SEM一样，TEM使用一个电子枪来产生一次电子束，通过透镜和光圈聚焦之后变为更细小的电子束。
然后用这种电子束轰击样品，有一部分电子能穿透样品表面，并被位于样品之下的探测器收集起来形成影像。
对于晶体材料，样品会引起入射电子束的衍射，会产生局部diffraction intensity variations，并能够在影像上非常清晰的显现出来。
对于无定形材料，电子在穿透这些物理和化学性质都不同的材料时，所发生的电子散射情况是不相同的，这就能形成一定的对比在影像观察到。
对于TEM分析来说最为关键的一步就是制样。
样品制作的好坏直接关系到TEM能否有效的进行观察和分析，因此，在制样方面多加努力对于分析者来说也是相当必要的工作。
扫描声学显微镜集成电路封装的可靠性在许多方面要取决于它们的机械完整性.由于不良键合、孔隙、微裂痕或层间剥离而造成的结构缺陷可能不会给电性能特性带来明显的影响,但却可能造成早期失效.C模式扫描声学显微镜(C—SAM)是进行IC封装非破坏性失效分析的极佳工具,可为关键的封装缺陷提供一个快速、全面的成象.并能确定这些缺陷在封装内的三维方位.这一C—SAM系统已经在美国马里兰州大学用于气密性(陶瓷)及非气密性(塑料)IC封装的可靠性试验。
它在塑料封装常见的生产缺陷如:封装龟裂、叶片移位、外来杂质、多孔性、钝化层龟裂、层间剥离、切断和断裂等方面表现出字串1俄歇电子（Auger Analysis ）是一种针对样品表面进行分析的失效分析技术。
纳米材料的形貌分析
第2章纳米材料的形貌分析2.1 前言2.1.1形貌分析的重要性材料的形貌尤其是纳米材料的形貌也是材料分析的重要组成部分材料的很多重要物理化学性能是由其形貌特征所决定的。
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。
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。
因此纳米材料的形貌分析是纳米材料研究的重要内容。
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结构等方面。
2.1.2形貌分析的种类和适用范围纳米材料常用的形貌分析方法主要有扫描电子显微镜、透射电子显微镜、扫描隧道显微镜和原子力显微镜。
扫描电镜和透射电镜形貌分析不仅可以分析纳米粉体材料还可以分析块体材料的形貌。
其提供的信息主要有材料的几何形貌粉体的分散状态纳米颗粒大小及分布以及特定形貌区域的元素组成和物相结构。
扫描电镜对样品的要求比较低无论是粉体样品还是大块样品均可以直接进行形貌观察。
扫描电镜分析可以提供从? 擅椎胶撩追段 诘男蚊蚕窆鄄焓右按笃浞直缏室话阄?纳米对于场发射扫描电子显微镜其空间分辩率可以达到0.5纳米量级。
透射电镜具有很高的空间分辩能力特别适合纳米粉体材料的分析。
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。
透射电镜比较适合纳米粉体样品的形貌分析但颗粒大小应小于300nm否则电子束就不能透过了。
对块体样品的分析透射电镜一般需要对样品进行减薄处理。
扫描隧道显微镜主要针对一些特殊导电固体样品的形貌分析。
可以达到原子量级的分辨率但仅适合具有导电性的薄膜材料的形貌分析和表面原子结构分布分析对纳米粉体材料不能分析。
扫描原子力显微镜可以对纳米薄膜进行形貌分析分辨率可以达到几十纳米比STM差但适合导体和非导体样品不适合纳米粉体的形貌分析。
总之这四种形貌分析方法各有特点电镜分析具有更多的优势但STM和AFM 具有可以气氛下进行原位形貌分析的特点。
透射电镜比较适合纳米粉体样品的形貌分析共35页
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26、要使整个人生都过得舒适、愉快，这是不可能的，因为人类必须具备一种能应付逆境的态度。——卢梭
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27、只有把抱怨环境的心情，化为上进的力量，才是成功的保证。——罗曼·罗兰
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28、知之者不如好之者，好之者不如乐之者。——孔子
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29、勇猛、大胆和坚定的决心能够抵得上武器的精良。——达·芬奇
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30、意志是一个强壮的盲人，倚靠在明眼的跛子肩上。——叔本华
谢谢！
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透射电镜比金时代是在我们的前面，而不在 我们的 后面。
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7、心急吃不了热汤圆。
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8、你可以很有个性，但某些时候请收 敛。
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9、只为成功找方法，不为失败找借口 (蹩脚 的工人 总是说 工具不 好)。
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10、只要下定决心克服恐惧，便几乎 能克服 任何恐 惧。因 为，请 记住， 除了在 脑海中 ，恐惧 无处藏 身。-- 戴尔． 卡耐基 。
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俄歇电子在固体中运行也同样要经历频繁的非弹性散 射，能逸出固体表面的仅仅是表面几层原子所产生的俄歇 电子，这些电子的能量大体上处于 10～500电子伏，它们 的平均自由程很短，大约为5～20埃,因此俄歇电子能谱所 考察的只是固体的表面层。
俄歇电子数目随其能量的分布曲线称为俄歇电子能谱
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。
显微镜法
粒度分析
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
沉降法的原理是基于颗粒在悬浮体系时，颗粒本身重力 (或所受离心力)、所受浮力和黏滞阻力三者平衡，并且黏 滞力服从斯托克斯定律来实施测定的，此时颗粒在悬浮体 系中以恒定速度沉降，且沉降速度与粒度大小的平方成正 比 ；10nm～20μｍ的颗粒
这四种形貌分析方法各有特点，电镜分析具有更多的优 势，但STM和AFM具有可以气氛下进行原位形貌分析的 特点。
扫描探针显微镜 SPM
控制探针在被检测样品的表面进行扫描，同时记 录下扫描过程中探针尖端和样品表面的相互作用， 就能得到样品表面的相关信息。
利用这种方法得到被测样品表面信息的分辨率取 决于控制扫描的定位精度和探针作用尖端的大小 （即探针的尖锐度）。
X射线衍射结构分析
XRD分析是基于多晶样品对X射线的衍射效应，对样 品中各组分的存在形态进行分析。测定结晶情况，晶 相，晶格常数，晶体结构及成键状态等等。 可以确定 各种晶态组分的结构和含量。
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。
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，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 结构等方面
纳米材料常用的形貌分析方法主要有：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。
SEM形貌分析
扫描电镜分析可以提供从数纳米到毫米范围内的形貌像， 观察视野大，其分辩率一般为6纳米，对于场发射扫描电 子显微镜，其空间分辩率可以达到0.5纳米量级。
可以直接观察原子象
STM&AFM形貌分析
扫描隧道显微镜主要针对一些特殊导电固体样品的形貌 分析。可以达到原子量级的分辨率，但仅适合具有导电 性的薄膜材料的形貌分析和表面原子结构分布分析，对 纳米粉体材料不能分析。
扫描原子力显微镜可以对纳米薄膜进行形貌分析，分辨 率可以达到几十纳米，比STM差，但适合导体和非导体 样品，不适合纳米粉体的形貌分析。
拉曼散射的产生原因是光子与分子之间发生了能量交换， 改变了光子的能量。
在固体材料中拉曼激活的机制很多，反映的范围也很 广：如分子振动，各种元激发（电子，声子，等离子 体等），杂质，缺陷等
应用：晶相结构，颗粒大小，薄膜厚度，固相反应， 细微结构分析，催化剂等方面
主要用于表面和薄膜表征
电子衍射原理
微区分析能力，1微米量级 分析准确度高 ，优于2% 分析灵敏度高，达到10－15g ，100PPM－1% 样品的无损性, 多元素同时检测性 可以进行选区分析 电子探针分析对轻元素很不利
纳米材料的结构分析
纳米材料的物相结构和晶体结构对材料的性能有着重 要的作用。
目前，常用的分析方法有X射线衍射分析、激光拉曼 分析以及微区电子衍射分析。
激光粒度仪
激光粒度仪
用激光做光源，光为波长一定的单色光，衍射和散射的光 能的空间（角度）分布就只与粒径有关。对颗粒群的衍射， 各颗粒级的多少决定着对应各特定角处获得的光能量的大小， 各特定角光能量在总光能量中的比例，应反映着各颗粒级的 分布丰度。按照这一思路可建立表征粒度级丰度与各特定角 处获取的光能量的数学物理模型，进而研制仪器，测量光能， 由特定角度测得的光能与总光能的比较推出颗粒群相应粒径 级的丰度比例量。
电感耦合等离子体发射光谱仪
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） 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），能进行同位素
纳米材料检测方法
纳米材料的成份 纳米材料的结构 纳米材料的粒度 纳米材料的形貌 纳米材料的界面
纳米材料的成份分析
原子吸收光谱AAS 电感耦合等离子体原子发射光谱ICP 电感耦合等离子体质谱ICP-MS X-射线荧光光谱XFS 电子探针分析
原子吸收光谱AAS
根据蒸气相中被测元素的基态原子对其原子共振辐射 的吸收强度来测定试样中被测元素的含量
当波长为λ的单色平面电子波以入射角θ照射到晶面间
距为d的平行晶面组时，各个晶面的散射波干涉加强的
条件是满足布拉格关系： 2dsinθ =nλ
入射电子束照射到晶体上，一部分透射出去，一部分 使晶面间距为d的晶面发生衍射，产生衍射束。
电子衍射原理
当一电子束照射在单晶体薄膜上时，透射束穿过薄膜到达 感光相纸上形成中间亮斑；衍射束则偏离透射束形成有规 则的衍射斑点
透射电镜比较适合纳米粉体样品的形貌分析，但颗 粒大小应小于300nm，否则电子束就不能透过了。 对块体样品的分析，透射电镜一般需要对样品进行 减薄处理。
高分辨TEM
高分辨TEM是观察材料微观原子的位置。
200KV的TEM点分辨率为0.2nm，1000KV的TEM 点分辨率为0.1nm。
超高真空系统 原因： 如果分析室的真空度很差，在很短时间内清洁 表面可能被真空中的残气体所覆盖； 没有超高真空条件不可能获得真实的表面成分 信息。
X射线光电子能谱XPS
不仅电子可以用来激发原子的内层电子，光子也可以作 为激发源，通过光电效应产生出具有一定能量的光电子。 X射线光电子能谱就是利用能量较低的X射线源作为激发 源，通过分析样品发射出来的具有特征能量的电子，实 现分析样品化学成分目的的一种表面分析技术。XPS技术 已用范围十分广泛，主要用于分析表面元素组成和化学 状态，以及分子中原子周围的电子密度，特别是原子价 态以及表面原子电子云和能级结构方面。
其提供的信息主要有材料的几何形貌，粉体的分散状态， 纳米颗粒大小及分布以及特定形貌区域的元素组成和物相 结构。扫描电镜对样品的要求比较低，无论是粉体样品还 是大块样品，均可以直接进行形貌观察
TEM形貌分析
透射电镜具有很高的空间分辩能力，特别适合纳米 粉体材料的分析。
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。
适合对纳米材料中痕量金属杂质进行定量测定，检测 限低 ，10－10－10－14g/cm3
测量准确度很高 ，1%（3-5%） 选择性好 ，不需要进行分离检测 分析元素范围广 ，70多种 难熔性元素，稀土元素和非金属元素 ， 不能同时进行
多元素分析
原子吸收光谱仪AAS
电感耦合等离子体发射光谱ICP
XRD分析所需样品量大（0.1g），才能得到比较准确 的结果，对非晶样品不能分析。
激光拉曼物相分析
当一束激发光的光子与作为散射中心的分子发生相互作 用时，大部分光子仅是改变了方向，发生散射，而光的 频率仍与激发光源一致，这种散射称为瑞利散射。
但也存在很微量的光子不仅改变了光的传播方向，而且 也改变了光波的频率，这种散射称为拉曼散射。其散射 光的强度约占总散射光强度的10－6～10－10。
分析
X-射线荧光光谱分析法
是一种非破坏性的分析方法，可对固体样品直接测定。 在纳米材料成分分析中具有较大的优点
具有较好的定性分析能力，可以分析原子序数大于3的 所有元素
分析灵敏度高，其检测限达到10-5～10-9g/cm3
X射线荧光光谱仪
电子探针分析方法
电子束与物质的相互作用可以产生特征的X-射线，根 据X-射线的波长和强度进行分析的方法称为电子探针 分析法
对于多晶体而言，由于晶粒数目极大且晶面位向在空间任 意分布，多晶体的倒易点阵将变成倒易球。
电子衍射结果实际上是得到了被测晶体的倒易点阵花样， 对它们进行倒易反变换从理论上讲就可知道其正点阵的情 况
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。 电子束衍射的角度小，测量精度差 电子束很细，适合作微区分析 主要用于确定物相以及它们与基体的取向关系以及材料
SPM的特点
原子级高分辨率 实空间中表面的三维图像 观察单个原子层的局部表面结构 可在真空、大气、常温等不同环境下工作 可以得到有关表面结构的信息，例如表面不同层
次的态密度、表面电子阱、电荷密度波、表面势 垒的变化和能隙结构等
纳米材料表面与界面分析
常用分析方法：
X射线光电子能谱（XPS） 俄歇电子能谱（AES） 静态二次离子质谱（SIMS） 离子散射谱（ISS）
ICP是利用电感耦合等离子体作为激发源，根据处于激 发态的待测元素原子回到基态时发射的特征谱线对待 测元素进行分析的方法
可进行多元素同时分析，适合近70 种元素的分析 很低的检测限，一般可达到10－1～10－5μg/cm3 稳定性很好，精密度很高 ，相对偏差在1%以内 ，定
量分析效果好 对非金属元素的检测灵敏度低
中的结构缺陷等
纳米材料的粒度分析
粒度分析的概念
对于纳米材料，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和形状的表 征和控制具有重要的意义。
一般固体材料颗粒大小可以用颗粒粒度概念来描述。但 由于颗粒形状的复杂性，一般很难直接用一个尺度来描 述一个颗粒大小，因此，在粒度大小的描述过程中广泛 采用等效粒度的概念。