納米材料表征方法

1、 l納米材料的成份 l納米材料的結(jié)構(gòu) l納米材料的粒度 l納米材料的形貌 l納米材料的界面 原子吸收光譜AAS 電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜ICP 電感耦合等離子體質(zhì)譜ICP-MS X-射線熒光光譜XFS 電子探針分析 l根據(jù)蒸氣相中被測(cè)元素的基態(tài)原子對(duì)其原子共振輻射 的吸收強(qiáng)度來測(cè)定試樣中被測(cè)元素的含量 l適合對(duì)納米材料中痕量金屬雜質(zhì)進(jìn)行定量測(cè)定，檢測(cè) 限低 ，10101014g/cm3 l測(cè)量準(zhǔn)確度很高 ，1%（3-5%） l選擇性好 ，不需要進(jìn)行分離檢測(cè) l分析元素范圍廣 ，70多種 l 難熔性元素，稀土元素和非金屬元素 ， 不能同時(shí)進(jìn)行 多元素分析 原子吸收光譜儀AAS lICP是利用

2、電感耦合等離子體作為激發(fā)源，根據(jù)處于激 發(fā)態(tài)的待測(cè)元素原子回到基態(tài)時(shí)發(fā)射的特征譜線對(duì)待 測(cè)元素進(jìn)行分析的方法 l可進(jìn)行多元素同時(shí)分析，適合近70 種元素的分析 l很低的檢測(cè)限，一般可達(dá)到101105g/cm3 l穩(wěn)定性很好，精密度很高 ，相對(duì)偏差在1%以內(nèi) ，定 量分析效果好 l對(duì)非金屬元素的檢測(cè)靈敏度低 電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀 lICP-MS 是利用電感耦合等離子體作為離子源的一種元 素質(zhì)譜分析方法；該離子源產(chǎn)生的樣品離子經(jīng)質(zhì)譜的質(zhì) 量分析器和檢測(cè)器后得到質(zhì)譜 l檢出限低（多數(shù)元素檢出限為ppb-ppt級(jí)） l分析速度快（1分鐘可獲得70種元素的結(jié)果） l譜圖干擾少（原子量相差1可以分離

3、），能進(jìn)行同位素 分析 l是一種非破壞性的分析方法，可對(duì)固體樣品直接測(cè)定。 在納米材料成分分析中具有較大的優(yōu)點(diǎn) l具有較好的定性分析能力，可以分析原子序數(shù)大于3的 所有元素 l分析靈敏度高，其檢測(cè)限達(dá)到10-510-9g/cm3 X射線熒光光譜儀 l電子束與物質(zhì)的相互作用可以產(chǎn)生特征的X-射線，根 據(jù)X-射線的波長(zhǎng)和強(qiáng)度進(jìn)行分析的方法稱為電子探針 分析法 l微區(qū)分析能力，1微米量級(jí) l分析準(zhǔn)確度高 ，優(yōu)于2% l分析靈敏度高，達(dá)到1015g ，100PPM1% l樣品的無損性, 多元素同時(shí)檢測(cè)性 l可以進(jìn)行選區(qū)分析 l電子探針分析對(duì)輕元素很不利 l納米材料的物相結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)對(duì)材料的性能有著重

4、 要的作用。 l目前，常用的分析方法有X射線衍射分析、激光拉曼 分析以及微區(qū)電子衍射分析。 lXRD分析是基于多晶樣品對(duì)X射線的衍射效應(yīng)，對(duì)樣 品中各組分的存在形態(tài)進(jìn)行分析。測(cè)定結(jié)晶情況，晶 相，晶格常數(shù)，晶體結(jié)構(gòu)及成鍵狀態(tài)等等。 可以確定 各種晶態(tài)組分的結(jié)構(gòu)和含量。 l靈敏度較低，一般只能測(cè)定樣品中含量在1%以上的物 相，同時(shí)，定量測(cè)定的準(zhǔn)確度也不高，一般在1%的數(shù) 量級(jí)。 lXRD分析所需樣品量大（0.1g），才能得到比較準(zhǔn)確 的結(jié)果，對(duì)非晶樣品不能分析。 l當(dāng)一束激發(fā)光的光子與作為散射中心的分子發(fā)生相互作 用時(shí)，大部分光子僅是改變了方向，發(fā)生散射，而光的 頻率仍與激發(fā)光源一致，這種散射稱

5、為瑞利散射。 l但也存在很微量的光子不僅改變了光的傳播方向，而且 也改變了光波的頻率，這種散射稱為拉曼散射。其散射 光的強(qiáng)度約占總散射光強(qiáng)度的1061010。 l拉曼散射的產(chǎn)生原因是光子與分子之間發(fā)生了能量交換， 改變了光子的能量。 l在固體材料中拉曼激活的機(jī)制很多，反映的范圍也很 廣：如分子振動(dòng)，各種元激發(fā)（電子，聲子，等離子 體等），雜質(zhì)，缺陷等 l應(yīng)用：晶相結(jié)構(gòu)，顆粒大小，薄膜厚度，固相反應(yīng)， 細(xì)微結(jié)構(gòu)分析，催化劑等方面 l主要用于表面和薄膜表征 電子衍射原理 l當(dāng)波長(zhǎng)為的單色平面電子波以入射角照射到晶面間 距為d的平行晶面組時(shí)，各個(gè)晶面的散射波干涉加強(qiáng)的 條件是滿足布拉格關(guān)系： 2ds

6、in =n 入射電子束照射到晶體上，一部分透射出去，一部分 使晶面間距為d的晶面發(fā)生衍射，產(chǎn)生衍射束。 電子衍射原理 l當(dāng)一電子束照射在單晶體薄膜上時(shí)，透射束穿過薄膜到達(dá) 感光相紙上形成中間亮斑；衍射束則偏離透射束形成有規(guī) 則的衍射斑點(diǎn) l對(duì)于多晶體而言，由于晶粒數(shù)目極大且晶面位向在空間任 意分布，多晶體的倒易點(diǎn)陣將變成倒易球。 l電子衍射結(jié)果實(shí)際上是得到了被測(cè)晶體的倒易點(diǎn)陣花樣， 對(duì)它們進(jìn)行倒易反變換從理論上講就可知道其正點(diǎn)陣的情 況 電子衍射分析 l所用的電子束能量在102106eV的范圍內(nèi)。 l電子衍射與X射線一樣，也遵循布拉格方程。 l電子束衍射的角度小，測(cè)量精度差 l電子束很細(xì)，適合

7、作微區(qū)分析 l主要用于確定物相以及它們與基體的取向關(guān)系以及材料 中的結(jié)構(gòu)缺陷等 l對(duì)于納米材料，其顆粒大小和形狀對(duì)材料的性能起著決 定性的作用。因此，對(duì)納米材料的顆粒大小和形狀的表 征和控制具有重要的意義。 l一般固體材料顆粒大小可以用顆粒粒度概念來描述。但 由于顆粒形狀的復(fù)雜性，一般很難直接用一個(gè)尺度來描 述一個(gè)顆粒大小，因此，在粒度大小的描述過程中廣泛 采用等效粒度的概念。 l對(duì)于不同原理的粒度分析儀器，所依據(jù)的測(cè)量原理不同， 其顆粒特性也不相同，只能進(jìn)行等效對(duì)比，不能進(jìn)行橫 向直接對(duì)比。 顯微鏡法 SEM,TEM，1nm5范圍 適合納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

8、顆粒在懸浮體系時(shí)，顆粒本身重力 (或所受離心力)、所受浮力和黏滯阻力三者平衡，并且黏 滯力服從斯托克斯定律來實(shí)施測(cè)定的，此時(shí)顆粒在懸浮體 系中以恒定速度沉降，且沉降速度與粒度大小的平方成正 比 ；10nm20的顆粒 激光粒度儀 用激光做光源，光為波長(zhǎng)一定的單色光，衍射和散射的光 能的空間（角度）分布就只與粒徑有關(guān)。對(duì)顆粒群的衍射， 各顆粒級(jí)的多少?zèng)Q定著對(duì)應(yīng)各特定角處獲得的光能量的大小， 各特定角光能量在總光能量中的比例，應(yīng)反映著各顆粒級(jí)的 分布豐度。按照這一思路可建立表征粒度級(jí)豐度與各特定角 處獲取的光能量的數(shù)學(xué)物理模型，進(jìn)而研制儀器，測(cè)量光能， 由特定角度測(cè)得的光能與總光能的比較推出顆粒群相

9、應(yīng)粒徑 級(jí)的豐度比例量。 激光粒度儀 l形貌分析的主要內(nèi)容是分析材料的幾何形貌，材料的 顆粒度，及顆粒度的分布以及形貌微區(qū)的成份和物相 結(jié)構(gòu)等方面 l納米材料常用的形貌分析方法主要有：掃描電子顯微 鏡、透射電子顯微鏡、掃描隧道顯微鏡和原子力顯微 鏡。 l掃描電鏡分析可以提供從數(shù)納米到毫米范圍內(nèi)的形貌像， 觀察視野大，其分辯率一般為6納米，對(duì)于場(chǎng)發(fā)射掃描電 子顯微鏡，其空間分辯率可以達(dá)到0.5納米量級(jí)。 l其提供的信息主要有材料的幾何形貌，粉體的分散狀態(tài)， 納米顆粒大小及分布以及特定形貌區(qū)域的元素組成和物相 結(jié)構(gòu)。掃描電鏡對(duì)樣品的要求比較低，無論是粉體樣品還 是大塊樣品，均可以直接進(jìn)行形貌觀察

10、l透射電鏡具有很高的空間分辯能力，特別適合納米 粉體材料的分析。 l其特點(diǎn)是樣品使用量少，不僅可以獲得樣品的形貌， 顆粒大小，分布以還可以獲得特定區(qū)域的元素組成 及物相結(jié)構(gòu)信息。 l透射電鏡比較適合納米粉體樣品的形貌分析，但顆 粒大小應(yīng)小于300nm，否則電子束就不能透過了。 對(duì)塊體樣品的分析，透射電鏡一般需要對(duì)樣品進(jìn)行 減薄處理。 l高分辨TEM是觀察材料微觀結(jié)構(gòu)的。不僅可以獲得 晶胞排列的信息，還可以確定晶胞中原子的位置。 l200KV的TEM點(diǎn)分辨率為0.2nm，1000KV的TEM 點(diǎn)分辨率為0.1nm。 l可以直接觀察原子象 l掃描隧道顯微鏡主要針對(duì)一些特殊導(dǎo)電固體樣品的形貌 分析。

11、可以達(dá)到原子量級(jí)的分辨率，但僅適合具有導(dǎo)電 性的薄膜材料的形貌分析和表面原子結(jié)構(gòu)分布分析，對(duì) 納米粉體材料不能分析。 l掃描原子力顯微鏡可以對(duì)納米薄膜進(jìn)行形貌分析，分辨 率可以達(dá)到幾十納米，比STM差，但適合導(dǎo)體和非導(dǎo)體 樣品，不適合納米粉體的形貌分析。 l這四種形貌分析方法各有特點(diǎn)，電鏡分析具有更多的優(yōu) 勢(shì)，但STM和AFM具有可以氣氛下進(jìn)行原位形貌分析的 特點(diǎn)。 l控制探針在被檢測(cè)樣品的表面進(jìn)行掃描，同時(shí)記 錄下掃描過程中探針尖端和樣品表面的相互作用， 就能得到樣品表面的相關(guān)信息。 l利用這種方法得到被測(cè)樣品表面信息的分辨率取 決于控制掃描的定位精度和探針作用尖端的大小 （即探針的尖銳度）

12、。 l原子級(jí)高分辨率 l實(shí)空間中表面的三維圖像 l觀察單個(gè)原子層的局部表面結(jié)構(gòu) l可在真空、大氣、常溫等不同環(huán)境下工作 l可以得到有關(guān)表面結(jié)構(gòu)的信息，例如表面不同層 次的態(tài)密度、表面電子阱、電荷密度波、表面勢(shì) 壘的變化和能隙結(jié)構(gòu)等 納米材料表面與界面分析 常用分析方法： X射線光電子能譜（XPS） 俄歇電子能譜（AES） 靜態(tài)二次離子質(zhì)譜（SIMS） 離子散射譜（ISS） 超高真空系統(tǒng) 原因： 如果分析室的真空度很差，在很短時(shí)間內(nèi)清潔如果分析室的真空度很差，在很短時(shí)間內(nèi)清潔 表面可能被真空中的殘氣體所覆蓋；表面可能被真空中的殘氣體所覆蓋； 沒有超高真空條件不可能獲得真實(shí)的表面成分沒有超高真空條件不可能獲得真實(shí)的表面成分 信息。信息。 X射線光電子能譜XPS 不僅電子可以用來激發(fā)原子的內(nèi)層電子，光子也可以作 為激發(fā)源，通過光電效應(yīng)產(chǎn)生出具有一定能量的光電子。 X射線光電子能譜就是利用能量較低的X射線源作為激發(fā) 源，通過分析樣品發(fā)射出來的具有特征能量的電子，實(shí) 現(xiàn)分析樣品化學(xué)成分目的的一種表面分析技術(shù)。XPS技術(shù) 已用范圍十分廣泛，主要用