纳米材料检测及表征技术
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
? 优点：直接观察颗粒形状，可以直接观察 颗粒是否团聚。
? 缺点：取样代表性差，实验重复性差，测 量速度慢。
? 对于纳米材料体系的粒度分析，首先要分清是对颗粒的一次粒度还是 对二次粒度进行分析。
? 一次粒度的分析主要采用电镜的直观观测，根据需要和样品的粒度 范围，可依次采用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、扫描隧道电镜 (STM)、原子力显微镜(AFM)观测，直观得到单个颗粒的原始粒径及 形貌。
比表面粒径 --利用吸附法、透过法和润湿热法测定粉末的比 表面积,再换算成具有相同比表面积的均匀球形颗粒的直径。
纳米颗粒的粒径测量方法很多。下面介绍几种常用的方法。
1.2. 粒度分析的种类和适用范围
? 筛分法、显微镜法、沉降法 ? 激光衍射法、激光散射法、光子相干光谱
法、电子显微镜图像分析法、基于布朗运 动的粒度测量法和质谱法
2. 纳米材料的形貌分析
2.1 形貌分析的重要性
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) ? 扫描隧道显微镜(STM) ? 原子力显微镜(AFM)
3.3 电子能谱分析
? X射线光电子能谱 和俄歇电子能谱分析方法 ? 原理： 基于材料表面被激发出来的电子所具有的
特征能量分布（能谱）而对材料表面元素进行分 析的方法。 ? 区别：两者的主要区别是所采用的激光源不同， X 射线光电子能谱 用X射线作为激发源 ，而俄歇电子 能谱则采用电子束作为激发源 。
第六章 纳米材料的表征与检测技术
? 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。
? 分辨率 ：6nm左右，场发射扫描电镜0.5nm
? 制样 ：溶液分散 或 干粉制样
? 样品要求： 有一定的导电性能 对于非导电性样品：表面蒸镀导电层如表面 镀金，蒸碳等。
一般在10 nm以下的样品不能蒸金，因为颗粒 大小在8 nm左右，会产生干扰，应采取蒸碳 方式。
? 扫描范围 ： 扫描电镜：1 nm到毫米量级 透射电镜： 1—300 nm之间
3. 成分分析
3.1 成分分析方法与范围
类型（对象）: 微量样品分析和痕量成分分析
取样量
待测成分的含量
（分析目的）： 体相元素成分分析 表面成分分析 微区成分分析等方法
? 体相元素组成分析方法： 原子吸收、原子发射、ICP质谱（破坏性） X射线荧光与衍射分析方法 （非破坏性）
3.2 X射线荧光光谱分析方法（XFS）
获得信息：
? X射线光电子能谱法（XPS）能够提供样品 表面的元素含量与形态，其信息深度约为 3-5nm。
? 俄歇电子能谱是利用电子枪所发射的电子 束逐出的俄歇电子对材料表面进行分析的 方法，而且是一种灵敏度很高的分析方法， 其信息深度为1.0--3.0nm，绝对灵敏度可达 到10-3个单原子层，是一种很有用的分析方 法。
? 微区成分分析方法： 透射电子显微镜和扫描电子显微镜 与能谱相结合
4. 纳米材料的结构分析
4.1. 纳米材料的结构特征
纳米结构晶体或三维纳米结构(如等轴微晶); 二维纳来米结构(如纳米薄膜); 一维纳米结构(如纳米管); 零维原子簇或簇组装(如粒径不大于2nm的纳米粒子)
纳米材料包括晶体、膺晶体、无定形金属、陶瓷和化合物等
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。
1. 纳米材料的粒度分析
⑤颗粒尺寸的定义 对球形颗粒来说颗粒尺寸(粒径)即指其直径。
规则球形颗粒用球的直径或投影圆的直径表示。 形状不规则 或不对称的颗粒用长、宽、高的某种平均值来表示，称为 几何 粒径。由于几何粒径计算繁锁，可以通过测量其比表面积、光 波衍射等性质来测定的等效直径称为等当直径(当量直径) 。
其中激光散射法和光子相干光谱法由于具有速度快、测量范 围广、数据可靠、重复性好、自动化程度高、便于在线测量 等测量而被广泛应用。
其测量颗粒最小粒径可以达到20nm和1nm。
1.2.1 显微镜法
? 光学显微镜 ? 0.8-150μm
? 电子显微镜 ? 小于0.8μm ，1nm-5μm范围内的颗粒
? 图像分析技术因Biblioteka Baidu测量的随机性、统计性 和直观性被公认为是测量结果与实际粒度 分布吻合最好的测试技术。
1.2.2.电镜观察粒度分析
? 最常用的方法，不仅可以进行纳米颗粒大 小的分析，也可以对颗粒大小的分布进行 分析，还可以得到颗粒形貌的数据。
? 扫描电镜 和 透射电镜 ? 主要原理：通过溶液分散制样的方式把纳
米材料样品分散在样品台上，然后通过电 镜放大观察和照相。通过计算机图像分析 程序就可以把颗粒大小、颗粒大小的分布 以及形状数据统计出来。
? 原理： X射线荧光的能量或波长是特征性的， 与元素有一一对应关系。
? 用途：定性和半定量
? 表面分析方法： X射线光电子能谱（XPS）分析方法 俄歇电子能谱（AES）分析方法 电子衍射分析方法 二次离子质谱（SIMS）分析方法等
? 获得信息： 纳米材料表面化学成分、分布状态与价态、 表面与界面的吸附与扩散反应的状况等进 行测定
? 由于电镜法是对局部区域的观测，所以，在进行粒度分布分析时，需 要多幅照片的观测，通过软件分析得到统计的粒度分布。电镜法得到 的一次粒度分析结果一般很难代表实际样品颗粒的分布状态。
? 纳米材料颗粒体系二次粒度统计分析方法，按原理分较先进的三种典 型方法是:高速离心沉降法、激光粒度分析法和电超声粒度分析法。
? 缺点：取样代表性差，实验重复性差，测 量速度慢。
? 对于纳米材料体系的粒度分析，首先要分清是对颗粒的一次粒度还是 对二次粒度进行分析。
? 一次粒度的分析主要采用电镜的直观观测，根据需要和样品的粒度 范围，可依次采用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、扫描隧道电镜 (STM)、原子力显微镜(AFM)观测，直观得到单个颗粒的原始粒径及 形貌。
比表面粒径 --利用吸附法、透过法和润湿热法测定粉末的比 表面积,再换算成具有相同比表面积的均匀球形颗粒的直径。
纳米颗粒的粒径测量方法很多。下面介绍几种常用的方法。
1.2. 粒度分析的种类和适用范围
? 筛分法、显微镜法、沉降法 ? 激光衍射法、激光散射法、光子相干光谱
法、电子显微镜图像分析法、基于布朗运 动的粒度测量法和质谱法
2. 纳米材料的形貌分析
2.1 形貌分析的重要性
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) ? 扫描隧道显微镜(STM) ? 原子力显微镜(AFM)
3.3 电子能谱分析
? X射线光电子能谱 和俄歇电子能谱分析方法 ? 原理： 基于材料表面被激发出来的电子所具有的
特征能量分布（能谱）而对材料表面元素进行分 析的方法。 ? 区别：两者的主要区别是所采用的激光源不同， X 射线光电子能谱 用X射线作为激发源 ，而俄歇电子 能谱则采用电子束作为激发源 。
第六章 纳米材料的表征与检测技术
? 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。
? 分辨率 ：6nm左右，场发射扫描电镜0.5nm
? 制样 ：溶液分散 或 干粉制样
? 样品要求： 有一定的导电性能 对于非导电性样品：表面蒸镀导电层如表面 镀金，蒸碳等。
一般在10 nm以下的样品不能蒸金，因为颗粒 大小在8 nm左右，会产生干扰，应采取蒸碳 方式。
? 扫描范围 ： 扫描电镜：1 nm到毫米量级 透射电镜： 1—300 nm之间
3. 成分分析
3.1 成分分析方法与范围
类型（对象）: 微量样品分析和痕量成分分析
取样量
待测成分的含量
（分析目的）： 体相元素成分分析 表面成分分析 微区成分分析等方法
? 体相元素组成分析方法： 原子吸收、原子发射、ICP质谱（破坏性） X射线荧光与衍射分析方法 （非破坏性）
3.2 X射线荧光光谱分析方法（XFS）
获得信息：
? X射线光电子能谱法（XPS）能够提供样品 表面的元素含量与形态，其信息深度约为 3-5nm。
? 俄歇电子能谱是利用电子枪所发射的电子 束逐出的俄歇电子对材料表面进行分析的 方法，而且是一种灵敏度很高的分析方法， 其信息深度为1.0--3.0nm，绝对灵敏度可达 到10-3个单原子层，是一种很有用的分析方 法。
? 微区成分分析方法： 透射电子显微镜和扫描电子显微镜 与能谱相结合
4. 纳米材料的结构分析
4.1. 纳米材料的结构特征
纳米结构晶体或三维纳米结构(如等轴微晶); 二维纳来米结构(如纳米薄膜); 一维纳米结构(如纳米管); 零维原子簇或簇组装(如粒径不大于2nm的纳米粒子)
纳米材料包括晶体、膺晶体、无定形金属、陶瓷和化合物等
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。
1. 纳米材料的粒度分析
⑤颗粒尺寸的定义 对球形颗粒来说颗粒尺寸(粒径)即指其直径。
规则球形颗粒用球的直径或投影圆的直径表示。 形状不规则 或不对称的颗粒用长、宽、高的某种平均值来表示，称为 几何 粒径。由于几何粒径计算繁锁，可以通过测量其比表面积、光 波衍射等性质来测定的等效直径称为等当直径(当量直径) 。
其中激光散射法和光子相干光谱法由于具有速度快、测量范 围广、数据可靠、重复性好、自动化程度高、便于在线测量 等测量而被广泛应用。
其测量颗粒最小粒径可以达到20nm和1nm。
1.2.1 显微镜法
? 光学显微镜 ? 0.8-150μm
? 电子显微镜 ? 小于0.8μm ，1nm-5μm范围内的颗粒
? 图像分析技术因Biblioteka Baidu测量的随机性、统计性 和直观性被公认为是测量结果与实际粒度 分布吻合最好的测试技术。
1.2.2.电镜观察粒度分析
? 最常用的方法，不仅可以进行纳米颗粒大 小的分析，也可以对颗粒大小的分布进行 分析，还可以得到颗粒形貌的数据。
? 扫描电镜 和 透射电镜 ? 主要原理：通过溶液分散制样的方式把纳
米材料样品分散在样品台上，然后通过电 镜放大观察和照相。通过计算机图像分析 程序就可以把颗粒大小、颗粒大小的分布 以及形状数据统计出来。
? 原理： X射线荧光的能量或波长是特征性的， 与元素有一一对应关系。
? 用途：定性和半定量
? 表面分析方法： X射线光电子能谱（XPS）分析方法 俄歇电子能谱（AES）分析方法 电子衍射分析方法 二次离子质谱（SIMS）分析方法等
? 获得信息： 纳米材料表面化学成分、分布状态与价态、 表面与界面的吸附与扩散反应的状况等进 行测定
? 由于电镜法是对局部区域的观测，所以，在进行粒度分布分析时，需 要多幅照片的观测，通过软件分析得到统计的粒度分布。电镜法得到 的一次粒度分析结果一般很难代表实际样品颗粒的分布状态。
? 纳米材料颗粒体系二次粒度统计分析方法，按原理分较先进的三种典 型方法是:高速离心沉降法、激光粒度分析法和电超声粒度分析法。