第四章纳米材料的测试与表征技术
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)。
（1 ）扫描隧道显微wk.baidu.com（ STM ）：利用量子理论中的隧道效应，即
隧道电流强度对针尖与样品之间的距离非常敏感，用电子反馈线路控制 隧道电流的恒定，并用针尖在样品表面扫描，则探针在垂直样品方向上 高低的变化就反映出样品表面的起伏。
（2 ）原子力显微镜（AFM ）：针尖的特性与相应的针尖-样品间相互
作用不同，弥补了STM只能直接观察导体和半导体的不足，可以极高的 分辨率研究绝缘体的表面，而且对环境的要求低。
? 性能分析：物理性能（电、磁、声、光等性
能）、化学性能（化学反应性、反应能力、化学 性质等）。
6
4.1.1 化学成分的表征方法
? 化学成分决定了纳米粒子及其制品的性能。
1. 化学分析法 ：氧化-还原法、沉淀法、中和法、络合法
2. 仪器分析法 ：原子发射光谱（AES）、原子吸收光谱
（AAS）、X-射线荧光分析（XRFS）、电子探针微区分 析法等以及扫描电子显微镜的能谱分析。
3. 扫描电子显微镜（SEM）：分辨率小于TEM ，但成像立体 感强，视场大，主要用于纳米粒子的形貌分析、在基体中 的分散、粒径的测量等。
4. 激光散射法：用于测量粒径大小、分布，结合BET法可测 定纳米粒子的比表面积、团聚程度等。
8
4.1.3 纳米颗粒的表面分析方法
1 、扫描显微技术 （Scanning Probe Microscope ）
（3 ）扫描近场显微镜（SNOM ）：与STM（探测隧道电子）相似的
是， SNOM探测的是隧道光子。根据非辐射场的探测与成像原理，突破 了普通光学显微镜所受到的单衍射极限，在超高光学分辨率下进行纳米 尺度光学成像与纳米尺度的光谱分析。
9
2、谱分析法
（1 ）红外和拉曼光谱 ：由于光谱的强度分别依赖于振动分
子气共振激发或由于带间吸收，在紫外-可见光区有特征的吸 收谱，能够配合理论计算获得颗粒度、结构方面的信息。
10
2、谱分析法
（4 ）穆斯堡尔谱 ：是能得到最外层的化学信息的表面研究
技术，可提供物质的原子核与其核外环境（指核外电子、邻 近原子以及晶体等）之间存在细微的作用而出现超精细相互 作用的信息。
? 场离子显微镜是一种具有高放大倍数、高分辨率， 可直接观察表面原子的研究装置。
? 原理：利用成像气体原子（ H、He）在带正高压 的针尖样品附近被场离子化，然后受电场加速， 沿电场方向飞行到阴极荧光屏上，在荧光屏上得 到一个对应于针尖表面原子排列的场离子像。
12
4、热分析
? 热分析方法包括：差热分析法（ DTA ）、示差 扫描量热法（ DSC）和热重分析法（ TG），与 XRD、IR 配合可进行以下研究：
1
检测与表征技术的重要性及其存在的问题
? 重要性: 与纳米材料和器件的研究及应用相互依存、共同发展 ? 存在问题： 1) 对纳米材料和器件的许多基本特征、结构和相互作用了解不
够，缺乏许多基本数据或准确性不够，纳米材料的设计、制 造、使用存在着相当的盲目性； 2) 现有的测量表征技术用于纳米材料和器件还存在许多问题 ； 3) 纳米材料和器件的特征长度很小，使一些测量会对被测对象 产生很大扰动，以至产生的信息并不完全代表其本身特性。
子的偶极矩变化和极化率的变化，因而可用于探测材料中的 空位、间隙原子、位错、晶界和相界等，提供相应的信息。
（2 ）傅立叶变换远红外光谱 ：可检验金属与非金属离子
成键、金属离子的配位等化学环境的情况与变化。红外、远 红外分析可表征-OH、C=O、C=C等功能基团。
（3 ）紫外-可见光谱 ：不同的元素离子由于金属粒子内部电
因此，无论在理论上，还是在技术上都需要深入研究和发 展，包括在纳米尺度上原位研究各种纳米结构的电、力、磁、 光特性，纳米空间的化学反应过程，物理传输过程，以及分子、 原子的排列、组装与奇异特性的关系。
2
本章重点：
? 掌握纳米材料与纳米结构的测试和表征技术； ? 了解扫描隧道显微镜、原子力显微镜、 X-射
7
4.1.2 颗粒状态的表征方法
1. X-射线衍射分析（XRD）：根据特征峰的位置鉴定样品的 物相，并可以鉴定物质晶相的尺寸和大小（谢乐公式，半 高宽和位置）。
2. 透射电子显微镜（TEM）：电镜照片直观地给出颗粒大小、 形状、粒度分布等参数，分辨率10埃左右。高分辨透镜还 可得到有关晶体结构的信息。
① 表面成键或非成键有机基团或其它物质的存在 与否、含量、热失温度；
② 表面吸附能力的强弱与粒径的关系； ③ 升温过程中粒径的变化； ④ 升温过程中的相转变及晶化情况。
13
4.1.4 结晶状态的表征方法
? XRD，高分辨X-射线粉末衍射
? 前者可确定晶胞中的原子位置、晶胞参数以及 晶胞中的原子数。
表征参数相同； ? 不同点：纳米材料由纳米级的颗粒组成，
需要对纳米颗粒的大小、形态、粒度、粒 度分布、表面结构等进行测试。
5
纳米材料表征方法的分类
? 成份分析：材料的组成元素及其含量； ? 颗粒分析：颗粒形状、粒度、粒度分布、颗粒
结晶结构；
? 结构分析：材料结晶结构、物相组成、组分之
间的界面、物相形态；
（5 ）广延X射线吸收精细结构光谱 （EXAFS）：提供X
射线吸收边界之外发射的精细光谱，可分析长程有序体系， 获取配位原子、键长、原子间距等信息。
（6 ）正电子湮没 （PAS ）：正电子射入凝聚态物质中会与
电子、缺陷或空穴发生湮没，同时发射r射线，由此可得到纳 米材料电子结构或缺陷的信息。
11
3、场离子显微镜（FIM）
线衍射仪、激光粒度仪等系列纳米材料与纳 米结构研究中常用工具的工作原理。 ? 了解纳米检测的一些应用。
3
第四章 纳米材料的测试与表征技术
4.1 纳米材料的表征方法 4.2 扫描隧道显微镜 4.3 其它检测仪器 4.4 检测技术的应用研究
4
4.1 纳米材料的表征方法
纳米材料表征与普通材料表征的异同： ? 相同点：对电、磁、声、光等性能测试的
? 后者可获得更准确的结构信息，获取有关单晶 胞内相关物质的元素组成比、尺寸、原子间距 与键长等精细结构方面的数据和信息。
14
4.1.5 复合材料和自组装材料的表征
? 复合材料的表征：相组成、相形态、相界面的测 试；
隧道电流强度对针尖与样品之间的距离非常敏感，用电子反馈线路控制 隧道电流的恒定，并用针尖在样品表面扫描，则探针在垂直样品方向上 高低的变化就反映出样品表面的起伏。
（2 ）原子力显微镜（AFM ）：针尖的特性与相应的针尖-样品间相互
作用不同，弥补了STM只能直接观察导体和半导体的不足，可以极高的 分辨率研究绝缘体的表面，而且对环境的要求低。
? 性能分析：物理性能（电、磁、声、光等性
能）、化学性能（化学反应性、反应能力、化学 性质等）。
6
4.1.1 化学成分的表征方法
? 化学成分决定了纳米粒子及其制品的性能。
1. 化学分析法 ：氧化-还原法、沉淀法、中和法、络合法
2. 仪器分析法 ：原子发射光谱（AES）、原子吸收光谱
（AAS）、X-射线荧光分析（XRFS）、电子探针微区分 析法等以及扫描电子显微镜的能谱分析。
3. 扫描电子显微镜（SEM）：分辨率小于TEM ，但成像立体 感强，视场大，主要用于纳米粒子的形貌分析、在基体中 的分散、粒径的测量等。
4. 激光散射法：用于测量粒径大小、分布，结合BET法可测 定纳米粒子的比表面积、团聚程度等。
8
4.1.3 纳米颗粒的表面分析方法
1 、扫描显微技术 （Scanning Probe Microscope ）
（3 ）扫描近场显微镜（SNOM ）：与STM（探测隧道电子）相似的
是， SNOM探测的是隧道光子。根据非辐射场的探测与成像原理，突破 了普通光学显微镜所受到的单衍射极限，在超高光学分辨率下进行纳米 尺度光学成像与纳米尺度的光谱分析。
9
2、谱分析法
（1 ）红外和拉曼光谱 ：由于光谱的强度分别依赖于振动分
子气共振激发或由于带间吸收，在紫外-可见光区有特征的吸 收谱，能够配合理论计算获得颗粒度、结构方面的信息。
10
2、谱分析法
（4 ）穆斯堡尔谱 ：是能得到最外层的化学信息的表面研究
技术，可提供物质的原子核与其核外环境（指核外电子、邻 近原子以及晶体等）之间存在细微的作用而出现超精细相互 作用的信息。
? 场离子显微镜是一种具有高放大倍数、高分辨率， 可直接观察表面原子的研究装置。
? 原理：利用成像气体原子（ H、He）在带正高压 的针尖样品附近被场离子化，然后受电场加速， 沿电场方向飞行到阴极荧光屏上，在荧光屏上得 到一个对应于针尖表面原子排列的场离子像。
12
4、热分析
? 热分析方法包括：差热分析法（ DTA ）、示差 扫描量热法（ DSC）和热重分析法（ TG），与 XRD、IR 配合可进行以下研究：
1
检测与表征技术的重要性及其存在的问题
? 重要性: 与纳米材料和器件的研究及应用相互依存、共同发展 ? 存在问题： 1) 对纳米材料和器件的许多基本特征、结构和相互作用了解不
够，缺乏许多基本数据或准确性不够，纳米材料的设计、制 造、使用存在着相当的盲目性； 2) 现有的测量表征技术用于纳米材料和器件还存在许多问题 ； 3) 纳米材料和器件的特征长度很小，使一些测量会对被测对象 产生很大扰动，以至产生的信息并不完全代表其本身特性。
子的偶极矩变化和极化率的变化，因而可用于探测材料中的 空位、间隙原子、位错、晶界和相界等，提供相应的信息。
（2 ）傅立叶变换远红外光谱 ：可检验金属与非金属离子
成键、金属离子的配位等化学环境的情况与变化。红外、远 红外分析可表征-OH、C=O、C=C等功能基团。
（3 ）紫外-可见光谱 ：不同的元素离子由于金属粒子内部电
因此，无论在理论上，还是在技术上都需要深入研究和发 展，包括在纳米尺度上原位研究各种纳米结构的电、力、磁、 光特性，纳米空间的化学反应过程，物理传输过程，以及分子、 原子的排列、组装与奇异特性的关系。
2
本章重点：
? 掌握纳米材料与纳米结构的测试和表征技术； ? 了解扫描隧道显微镜、原子力显微镜、 X-射
7
4.1.2 颗粒状态的表征方法
1. X-射线衍射分析（XRD）：根据特征峰的位置鉴定样品的 物相，并可以鉴定物质晶相的尺寸和大小（谢乐公式，半 高宽和位置）。
2. 透射电子显微镜（TEM）：电镜照片直观地给出颗粒大小、 形状、粒度分布等参数，分辨率10埃左右。高分辨透镜还 可得到有关晶体结构的信息。
① 表面成键或非成键有机基团或其它物质的存在 与否、含量、热失温度；
② 表面吸附能力的强弱与粒径的关系； ③ 升温过程中粒径的变化； ④ 升温过程中的相转变及晶化情况。
13
4.1.4 结晶状态的表征方法
? XRD，高分辨X-射线粉末衍射
? 前者可确定晶胞中的原子位置、晶胞参数以及 晶胞中的原子数。
表征参数相同； ? 不同点：纳米材料由纳米级的颗粒组成，
需要对纳米颗粒的大小、形态、粒度、粒 度分布、表面结构等进行测试。
5
纳米材料表征方法的分类
? 成份分析：材料的组成元素及其含量； ? 颗粒分析：颗粒形状、粒度、粒度分布、颗粒
结晶结构；
? 结构分析：材料结晶结构、物相组成、组分之
间的界面、物相形态；
（5 ）广延X射线吸收精细结构光谱 （EXAFS）：提供X
射线吸收边界之外发射的精细光谱，可分析长程有序体系， 获取配位原子、键长、原子间距等信息。
（6 ）正电子湮没 （PAS ）：正电子射入凝聚态物质中会与
电子、缺陷或空穴发生湮没，同时发射r射线，由此可得到纳 米材料电子结构或缺陷的信息。
11
3、场离子显微镜（FIM）
线衍射仪、激光粒度仪等系列纳米材料与纳 米结构研究中常用工具的工作原理。 ? 了解纳米检测的一些应用。
3
第四章 纳米材料的测试与表征技术
4.1 纳米材料的表征方法 4.2 扫描隧道显微镜 4.3 其它检测仪器 4.4 检测技术的应用研究
4
4.1 纳米材料的表征方法
纳米材料表征与普通材料表征的异同： ? 相同点：对电、磁、声、光等性能测试的
? 后者可获得更准确的结构信息，获取有关单晶 胞内相关物质的元素组成比、尺寸、原子间距 与键长等精细结构方面的数据和信息。
14
4.1.5 复合材料和自组装材料的表征
? 复合材料的表征：相组成、相形态、相界面的测 试；