纳米材料的表征ppt课件
合集下载
- 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)。
第七章 纳米材料的测试与表征
一、纳米材料的成份分析 二、纳米材料的粒度分析 三、纳米材料的结构分析 四、纳米材料的形貌分析 五、纳米材料的界面分析
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。
由于颗粒的形状不可能都是均匀的球形，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。
元素分析。
电感耦合等离子体发射光谱法（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。 对非金属元素的检测灵敏度低。
原子吸收光谱法
根据蒸气相中被测元素的基态原子吸收特征辐射后跃迁到 激发态所产生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，ng/cm3，10-10－10-14g
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
TiO2纳米光催化剂掺杂C, N例子说明 纳米发光材料中的杂质种类和浓度还会对发光器
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
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。
图1 不同结构的CdSe1-XTeX 量子 点的结构和光谱性质示意图
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。
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应用。
一、纳米材料的成份分析
1、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；
X-射线荧光光谱分析法（XRF）
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。 本底强度低，分析灵敏度高，其检测限达到10-5～ 10-9g/g（或g/cm3） 几个纳米到几十微米 的薄膜厚度测定。
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；
3、体相成分分析方法
纳米材料的体相元素组成及其杂质成分的分析方法 包括原子吸收、原子发射、质谱，X 射线荧光与衍 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。
红外光谱研究发现了季铵化吡啶环的特征吸收峰； 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。
二、纳米材料的粒度分析
1、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。
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
上述四种量子点的平均直径为 5.9nm 组成为CdSe0.6Te0.4
2、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；
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。
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。
测量结果的相对性
XRF方法的原理
用高速电子激发产生的X射线作为激发源（一次X 射线）去轰击别的原子的内层电子，同样可产生X 射线，只是这种X射线的能量较一次X射线低，波 长也较长，这种射线称为二次X射线或X射线荧光、 荧光X射线。各种不同的元素都有本身的特征X射 线荧光波长，这是定性分析的依据；而元素受激 发射出来的特征X 射线荧光的强度则取决于该元 素的含量，这是定量分析的依据。
沉降式粒度仪是依据颗粒的沉降速度进行等效对比，所 测的粒径为等效沉速径，即用与被测颗粒具有相同沉 降速度的同质球形颗粒的直径来代表实际颗粒的大小。
激光粒度仪则是利用颗粒对经过的衍射和散射特性作等 效对比，所测出的等效粒径为等效散射粒径，即用与 实际被测颗粒具有相同散射效果的球形颗粒的直径来 代表这个颗粒的实际大小。
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）
纳米成份分析案例
ICP-OES 研究CdSe 纳米粒子的组成
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。
百度文库
ICP-AES工作原理：
样品由载气(氩气)引入雾化系统进行雾化后， 以气溶胶形式进入等离子体的中心通道，在 高温和惰性气氛中被充分蒸发、原子化、电 离和激发，使所含元素发射各自的特征谱线。 根据各元素特征谱线的存在与否，鉴别样品 中是否含有某种元素(定性分析)；由特征谱线 的强度测定样品中相应元素的含量(定量分析)。
一、纳米材料的成份分析 二、纳米材料的粒度分析 三、纳米材料的结构分析 四、纳米材料的形貌分析 五、纳米材料的界面分析
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。
由于颗粒的形状不可能都是均匀的球形，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。
元素分析。
电感耦合等离子体发射光谱法（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。 对非金属元素的检测灵敏度低。
原子吸收光谱法
根据蒸气相中被测元素的基态原子吸收特征辐射后跃迁到 激发态所产生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，ng/cm3，10-10－10-14g
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
TiO2纳米光催化剂掺杂C, N例子说明 纳米发光材料中的杂质种类和浓度还会对发光器
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
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。
图1 不同结构的CdSe1-XTeX 量子 点的结构和光谱性质示意图
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。
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应用。
一、纳米材料的成份分析
1、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；
X-射线荧光光谱分析法（XRF）
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。 本底强度低，分析灵敏度高，其检测限达到10-5～ 10-9g/g（或g/cm3） 几个纳米到几十微米 的薄膜厚度测定。
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；
3、体相成分分析方法
纳米材料的体相元素组成及其杂质成分的分析方法 包括原子吸收、原子发射、质谱，X 射线荧光与衍 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。
红外光谱研究发现了季铵化吡啶环的特征吸收峰； 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。
二、纳米材料的粒度分析
1、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。
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
上述四种量子点的平均直径为 5.9nm 组成为CdSe0.6Te0.4
2、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；
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。
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。
测量结果的相对性
XRF方法的原理
用高速电子激发产生的X射线作为激发源（一次X 射线）去轰击别的原子的内层电子，同样可产生X 射线，只是这种X射线的能量较一次X射线低，波 长也较长，这种射线称为二次X射线或X射线荧光、 荧光X射线。各种不同的元素都有本身的特征X射 线荧光波长，这是定性分析的依据；而元素受激 发射出来的特征X 射线荧光的强度则取决于该元 素的含量，这是定量分析的依据。
沉降式粒度仪是依据颗粒的沉降速度进行等效对比，所 测的粒径为等效沉速径，即用与被测颗粒具有相同沉 降速度的同质球形颗粒的直径来代表实际颗粒的大小。
激光粒度仪则是利用颗粒对经过的衍射和散射特性作等 效对比，所测出的等效粒径为等效散射粒径，即用与 实际被测颗粒具有相同散射效果的球形颗粒的直径来 代表这个颗粒的实际大小。
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）
纳米成份分析案例
ICP-OES 研究CdSe 纳米粒子的组成
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。
百度文库
ICP-AES工作原理：
样品由载气(氩气)引入雾化系统进行雾化后， 以气溶胶形式进入等离子体的中心通道，在 高温和惰性气氛中被充分蒸发、原子化、电 离和激发，使所含元素发射各自的特征谱线。 根据各元素特征谱线的存在与否，鉴别样品 中是否含有某种元素(定性分析)；由特征谱线 的强度测定样品中相应元素的含量(定量分析)。