第6、7讲-纳米材料表征方法分析(1)

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。
2020/1/18
3
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份分析，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简单的介绍。
2020/1/18
25
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。
并且给的是颗粒图像的直观数据，容易理解。 但其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。
2020/1/18
15
电子探针分析方法
电子束与物质的相互作用也可以产生特征的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；
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 。
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 。
2020/1/18
22
光散射法(Light Scattering)
1. CdSe在复合纳米粒子中所占比例为87.8%，其他 12.2%可能为包覆在CdSe 表面的有机修饰层。
2. 红外光谱研究发现了季铵化吡啶环的特征吸收峰； 3. 包覆巯基乙酸的CdSe 在1390cm-1 的吸收峰移动到
1377cm-1 处，说明通过静电作用实现了乙烯基吡 啶季铵盐PVPNI 与包覆巯基乙酸的CdSe 两者的有 效复合。
2020/1/18
30
X射线衍射结构分析
XRD 物相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。
激光衍射式粒度仪仅对粒度在5μｍ以上的样品分析较准确， 而动态光散射粒度仪则对粒度在5μｍ以下的纳米样品分析 准确。
激光光散射法可以测量20nm-3500μｍ的粒度分布，获得 的是等效球体积分布，测量准确，速度快，代表性强，重 复性好，适合混合物料的测量。
利用光子相干光谱方法可以测量1nm-3000nm范围的粒度 分布，特别适合超细纳米材料的粒度分析研究。测量体积 分布，准确性高，测量速度快，动态范围宽，可以研究分 散体系的稳定性。其缺点是不适用于粒度分布宽的样品测 定。
2020/1/18
8
纳米材料成份分析种类
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。 质谱分析
主要包括电感耦合等离子体质谱ICP-MS 和飞行时间二次 离子质谱法TOF-SIMS 。 能谱分析
2020/1/18
16
电镜-能谱分析方法
利用电镜的电子束与固体微区作用产生的X射线进行 能谱分析（EDAX）；
与电子显微镜结合（SEM，TEM），可进行微区成 份分析；
定性和定量分析，一次全分析。
2020/1/18
17
纳米成份分析案例
ICP-OES 研究CdSe 纳米粒子的组成。
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。
2020/1/18Fra bibliotek4纳米材料的成份分析
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； 1. TiO2纳米光催化剂掺杂C、N例子说明。 2. 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。
2020/1/18
18
纳米粒子ICP-MS直接测定
2020/1/18
19
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。
纳米材料的测试与表征
主要内容
纳米材料分析的特点 纳米材料的成份分析 纳米材料的结构分析 纳米材料的粒度分析 纳米材料的形貌分析 纳米材料的界面分析
2020/1/18
2
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，并且 利用这些特性的多学科的高科技。
因此确定纳米材料的元素组成测定纳米材料中杂质的 种类和浓度是纳米材料分析的重要内容之一。
2020/1/18
6
2020/1/18
图1 不同结构的CdSe1-XTeX 量子点 的结构和光谱性质示意图
1核壳结构的CdTe-CdSe 量子点 2 核壳结构的CdSe-CdTe 量子点 3 均相结构的CdSe1-XTeX 量子点 4 梯度结构的CdSe1-XTeX 量子点
27
粒度分析应用
高分子纳米微球研究
2020/1/18
28
图9 光子相关光谱技术示意图
2020/1/18
水解聚丙烯酰胺溶液的粒度分布图
29
纳米材料的结构分析
不仅纳米材料的成份和形貌对其性能有重要影响， 纳米材料的物相结构和晶体结构对材料的性能也有 着重要的作用。
目前，常用的物相分析方法有X射线衍射分析、激 光拉曼分析以及微区电子衍射分析。
适合电镜法粒度分析的仪器主要有扫描电镜和透射电镜。 普通扫描电镜的颗粒分辨率一般在6nm左右，场发射扫描 电镜的分辨率可以达到0.5nm。
2020/1/18
26
扫描电镜对纳米粉体样品可以进行溶液分散法制样，也可 以直接进行干粉制样。对样品制备的要求比较低，但由于 电镜对样品有求有一定的导电性能，因此，对于非导电性 样品需要进行表面蒸镀导电层如表面蒸金，蒸碳等。一般 颗粒在10纳米以下的样品比较不能蒸金，因为金颗粒的大 小在8纳米左右，会产生干扰的，应采取蒸碳方式。
扫描电镜有很大的扫描范围，原则上从1nm到mm量级均可 以用扫描电镜进行粒度分析。而对于透射电镜，由于需要 电子束透过样品，因此，适用的粒度分析范围在1-300nm 之间。
对于电镜法粒度分析还可以和电镜的其他技术连用，可以 实现对颗粒成份和晶体结构的测定，这是其他粒度分析法 不能实现的。
2020/1/18
XRD物相分析所需样品量大（0.1g），才能得到比较准 确的结果，对非晶样品不能分析。
2020/1/18
31
样品制备
样品的颗粒度对X射线的衍射强度以及重现性有很大的影响。 一般样品的颗粒越大，则参与衍射的晶粒数就越少，并还会 产生初级消光效应，使得强度的重现性较差。
要求粉体样品的颗粒度大小在0.1 ～ 10μm范围。此外，当吸 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。
几个纳米到几十微米 的薄膜厚度测定。
2020/1/18
14
表面与微区成份分析
X射线光电子能谱；（10微米，表面） 俄歇电子能谱；（6nm，表面） 二次离子质谱；（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）
2020/1/18
23
光散射粒度测试方法的特点
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； 可以获得粒度分布。
2020/1/18
24
激光相干光谱粒度分析法
多元素分析。
2020/1/18
11
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；
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
上述四种量子点的平均直径为5.9nm 组成为CdSe0.6Te0.4
7
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；
为达此目的纳米材料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。
2020/1/18
10
原子吸收分析特点
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；