納米材料研究方法

1、納米材料研究方法 材料研究方法課程論文 學院：機電工程學院 姓名：王前聰 學號：201602044納米材料研究方法摘要：本文以納米材料為主要研究對象,闡述了其分析使用的分析方法。 關(guān)鍵詞：納米材料 分析方法 表征 1前言 納米材料具有許多優(yōu)良的物理及化學特性以及一系列新異的力、光、聲、熱、電、磁及催化特性，被廣泛應用于國防、電子、化工、建材、醫(yī)藥、航空、能源、環(huán)境及日常生活用品中，具有重大的現(xiàn)實與潛在的高科技應用前景。納米科技是未來高科技的基礎(chǔ), 而適合納米科技研究的儀器分析方法是納米科技中必不可少的實驗手段。因此, 納米材料的分析和表征對納米材料和納米科技發(fā)展具有重要的意義和作用。 分析科學

2、是人類知識寶庫中最重要、最活躍的領(lǐng)域之一, 它不僅是研究的對象, 而且又是觀察和探索世界特別是微觀世界的重要手段。隨著納米材料科學技術(shù)的發(fā)展, 要求改進和發(fā)展新分析方法、新分析技術(shù)和新概念, 提高其靈敏度、準確度和可靠性, 從中提取更多信息, 提高測試質(zhì)量、效率和經(jīng)濟性。 納米材料主要性質(zhì)有:小尺寸效應、表面與界面效應、量子尺寸效應、宏觀量子隧道效應。目前表征納米材料的技術(shù)很多，采用各種不同的測量信號形成了各種不同的材料分析方法，大體可以分為以下幾種方法。 2 X射線衍射分析（XRD)X射線粉末衍射法的基本原理是:一束單色X射線碰擊到研成細粉的樣品上，在理想情況下，樣品中晶體按各個可能的取向隨

3、機排列。在這樣的粉末樣品中，各種點陣面也以每個可能的取向存在。因此，對每套點陣面，至少有一些晶體的取向與入射束成Bragg角e，于是對這些晶體和晶面發(fā)生衍射。衍射束采用與圖象記錄儀相連的可移動檢測儀Geiger，如計數(shù)器(衍射儀)檢測，在記錄紙上畫出一系列峰。峰度位置和強度很容易從譜圖上得到，從而使它成為物相分析的極為有用和快速的方法。 3光譜分析方法 3.1激光拉曼光譜分析(LR) 拉曼散射的過程涉及光的彈性散射和非彈性散射，當一束頻率為n。的單色光照射到樣品上時，都會發(fā)生散射現(xiàn)象，產(chǎn)生散射光，將產(chǎn)生彈性散射 (Ray leighscattering)和非彈性散射(Raman scatter

4、ing)。散射光的大部分具有與入射光(激發(fā)光)相同的頻率，即散射光的光子能量與入射光的相同，這就是彈性散射，稱為瑞利散射。當散射光的光子能量發(fā)生改變與入射光不同時，其頻率高于和低于入射光即非彈性散射，稱為拉曼散射。頻率低于激發(fā)光的拉曼散射叫斯托克斯散射，頻率高于激發(fā)光的拉曼散射叫反斯托克散射。其中Stokes線(v0一v)與Anti-stokes線(v0+v)對稱分布在激發(fā)線(n0)。由于拉曼位移、只取決于散射分子的結(jié)構(gòu)而與v0無關(guān)，所以拉曼光譜可以作為分子振動能級的指紋光譜。拉曼位移v(散射光的波數(shù)與入射光波數(shù)之差)反映了分子內(nèi)部的振動和轉(zhuǎn)動方式。由此可以研究分子的結(jié)構(gòu)和分析鑒定化合物。 3

5、.2紫外一可見吸收光譜分析(UV-VIS) 電磁波可以和物質(zhì)發(fā)生作用，物質(zhì)吸收電磁波就可以產(chǎn)生電磁波譜。物質(zhì)的運動包括宏觀運動和微觀運動。在微觀運動中組成分子的原子之間的鍵在不斷振動，當電磁波的頻率等于振動的頻率時，分子就可以吸收電磁波，使振動加劇?；瘜W鍵的振動頻率位于紅外區(qū)，所以這種吸收光譜稱為紅外吸收光譜。原子由原子核和核外電子組成，核外電子在不斷的運動著。當用紫外光照射分子時，電子就會吸收紫外光躍遷到能量更高的軌道上運動，由此產(chǎn)生的電磁波譜稱為電子波譜或稱為紫外一可見吸收光譜。原子核也處于不斷的運動中，具有自旋的原子核置于外磁場中時可以吸收特定波段的電磁波，發(fā)生核磁共振，由此得到核磁共振

6、譜。3.3紅外光譜分析(IR) 紅外光譜是根據(jù)物質(zhì)吸收紅外輻射能量后引起分子振動和轉(zhuǎn)動的能級躍遷，記錄躍遷過程吸收或發(fā)射的電磁波，而獲得該分子的紅外吸收光譜。不同物質(zhì)對紅外輻射的吸收不同，其紅外光譜圖也不相同。 3.4原子吸收光譜分析(AAS) 原子吸收光譜法是上世紀50年代中期出現(xiàn)并在以后逐漸發(fā)展起來的一種新型的儀器分析方法，這種方法根據(jù)蒸氣相中被測元素的基態(tài)原子對其原子共振輻射的吸收強度來測定試樣中被測元素的含量。它在地質(zhì)、冶金、農(nóng)業(yè)、食品、輕工、機械、化工、生物醫(yī)藥、環(huán)境保護、材料科學等各個領(lǐng)域有廣泛的應用。當有輻射通過自由原子蒸氣，且入射輻射的頻率等于原子中的電子由基態(tài)躍遷到較高能態(tài)(

7、一般情況下都是第一激發(fā)態(tài))所需要的能量頻率時，原子就要從輻射場中吸收能量，產(chǎn)生共振吸收，電子由基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，同時伴隨著原子吸收光譜的產(chǎn)生。 3.5原子發(fā)射光譜分析(AES) 原子發(fā)射光譜分析(AES)以直流電弧，交流電弧或高壓火花等為信號激發(fā)源，其能量使樣品蒸發(fā)為氣態(tài)原子并將氣態(tài)原子外層電子激發(fā)至高能態(tài)，處于激發(fā)態(tài)的原子向低能級躍遷產(chǎn)生輻射，產(chǎn)生的輻射經(jīng)過分光儀器分光，按波長順序記錄在感光板上，從而獲得了按光譜線形式表達的樣品發(fā)射光譜圖。依據(jù)獲得的樣品光譜圖即可實現(xiàn)樣品化學成分定性分析，確定樣品的組成;也可通過對各種特征譜線強度的測定確定樣品中各元素的含量，從而實現(xiàn)樣品化學組成的定量分析。

8、 3.6原子熒光光譜分析(AFS) 物質(zhì)被某一波長的光照射后，會發(fā)射出比照射波長稍長的光，這種光稱為熒光，它的過程是當物質(zhì)的分子處于基態(tài)時，吸收光后，可躍遷到激發(fā)態(tài)，各激發(fā)態(tài)分子相互撞擊而以無輻射能量損失的形式回到第一激發(fā)態(tài)的最低振動能級，這一振動能級的分子在返回基態(tài)時，所發(fā)射的光稱為熒光;但當它轉(zhuǎn)入亞穩(wěn)的三重線級，停留一段時間，返回至基態(tài)時所發(fā)出的光稱為磷光。對于給定的物質(zhì)來說，當激發(fā)光的波長、強度、熒光池厚度一定，時熒光強度與所測定的熒光物質(zhì)濃度成比例，由此可求出所測定物質(zhì)的含量。 4 X射線光電子能譜(XPS) X射線光電子能譜(X-ray photo electron spectros

9、copy，XPS)是經(jīng)過近20年的潛心研究于20世紀60年代發(fā)明的一種新的分析方法。XPS是用特征X射線作入射束，是用在與樣品表面原子相互作用后，將原子內(nèi)殼電子激發(fā)電離，形成光電子，然后測量光電子的動能來鑒定樣品所含元素及其化學狀態(tài)。由于各種元素的原子結(jié)構(gòu)不同，原子內(nèi)層能級上電子的結(jié)合能是元素特性的反應，此方法具有標識性，可以作為元素分析的“指紋”。XPS屬表面分析法，它可以給出固體樣品表面所含的元素種類(適用于除H，He以外的所有元素)、化學組成以及有關(guān)的電子結(jié)構(gòu)等重要信息，在各種固體材料的基礎(chǔ)研究和實際應用中起著重要的作用。它既可以探測表面的化學組成，可以確定各元素的化學狀態(tài)，因此，這種分

10、析方法在化學/材料科學及表面科學中得到了非常廣泛地應用。隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的迅速發(fā)展，XPS也在不斷地完善。目前，已開發(fā)出小面積X射線光電子能譜，使得XPS的空間分辨能力有了很大的提高。利用X射線光電子能譜法可分析納米材料的表面化學組成、原子價態(tài)、表面形貌、表面微細結(jié)構(gòu)狀態(tài)及表面能態(tài)分布等。5 電子顯微分析方法 電子顯微鏡 (electron microscope，EM)是使用高能電子束作光源，用磁場作透鏡制造的具有高分辨率和高放大倍數(shù)的電子光學顯微鏡。電子顯微分析方法以材料微觀形貌，結(jié)構(gòu)與成分分析為基本目的。電子顯微分析方法中得到廣泛應用的分別為透射電子顯微鏡分析與掃描電子顯微鏡分析及電子探針

11、分析。 5.1 掃描電子顯微鏡 (SEM) 掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)簡稱掃描電鏡，是利用電子束在樣品表面掃描激發(fā)出來代表樣品表面特征的信號成像的。掃描電子顯微鏡(SEM)是由熱陰極電子槍發(fā)射出的電子在電場作用下加速，經(jīng)過2-3個電磁透鏡的作用，在樣品表面聚焦成為極細的電子束最小直徑為1-10nm。場發(fā)射掃描電子顯微鏡的分辨率可達到1nm，放大倍數(shù)可達到15萬-20萬倍，還可以觀察樣品表面的成分分布情況。 5.2 原子力顯微技術(shù) (AFM) 原子力顯微鏡(Atomic force microscopy)的主要特征是不要求電導的表面，因為它

12、測量的是掃描探針和它的樣品表面間的相互作用力，包括靜電的、范德華的、摩擦的、表面張力的(毛細的)和磁力的，因此它克服了STM方法的不足并成為它的互補。由于儀器可以調(diào)節(jié)到所測量對象特定力有敏感作用的，故其可測量樣品范圍擴展到有機、無機、生物材料及技術(shù)樣品。不同于STM，從AFM探針所獲得是每一個表面點力的圖。這力的圖可解釋為表面結(jié)構(gòu)的反映，是磁的、靜電的諸種力的幾何拓樸圖。AFM測定樣品表面形貌的模式有三種:接觸式、非接觸式和輕敲式(tapping mode)。 5.3掃描隧道顯微鏡(STM) 掃描隧道顯微鏡 (STM)是一種新型的表面測試分析儀器。與SEM、TEM相比，STM具有結(jié)構(gòu)簡單、分辨

13、本領(lǐng)高等特點，可在真空大氣或液體環(huán)境下以及在實空間內(nèi)進行原位動態(tài)觀察樣品表面的原子組態(tài)，并可直接甲于觀察樣品表面發(fā)生的物理或化學反應的動態(tài)過程及反應中原子的遷移過程等。 5.4射電子顯微鏡(TEM) 透射電子顯微鏡(trans mission electron microscope.TEM)是采用透過薄膜樣品的電子束成像來顯示樣品內(nèi)部組織形貌與結(jié)構(gòu)的。它可以在觀察樣品微觀組織形態(tài)的同時，對所觀察的區(qū)域進行晶體結(jié)構(gòu)鑒定(同位分析):其分辨率可達10nm，放大倍數(shù)可達40萬-60萬倍。此法用于薄層樣品微觀形貌觀察與結(jié)構(gòu)分析。透射電鏡成像原理與光學顯微鏡類似，即以電子束為照明源，經(jīng)聚光鏡聚焦后照射樣

14、品，透射電子經(jīng)成像系統(tǒng)聚焦、放大、成像，并由熒光屏顯示或底片記錄。常用的方法有:超薄切片法、冷凍超薄切片法、冷凍蝕刻法、冷凍斷裂法等。對于液體樣品，通常是掛在預處理過的銅網(wǎng)上進行觀察。 現(xiàn)有納米測量方法往往測量大面積或大量的納米材料以表征納米材料的單一尺度和性能，所得的測量結(jié)果是整個樣品的平均值，因此，單個納米顆粒、單根納米管的奇異特性就被掩蓋了。對現(xiàn)有的納米測量方法來說，表征單一納米顆粒、納米管、納米纖維的尺度和性能是一個難題和挑戰(zhàn)。首先，因為它們的尺寸相當小，對單一納米顆粒、納米管的固定和夾持無法用大尺寸的固定和夾持技術(shù)來實現(xiàn)。其次，納米結(jié)構(gòu)的小尺寸使得手工操縱相當困難，需要有一種針對單一

15、納米結(jié)構(gòu)設(shè)計的專門操縱技術(shù)來進行操作。Wang研究了用原位透射電子顯微鏡來測量單根碳納米管力學強度的技術(shù)，專門制作了可通過外加電場來控制試樣的夾具。在電鏡中能夠清楚地觀察到每個單根的碳納米管，因而能夠?qū)胃{米管進行性能測量。 6 電化學檢測方法 電化學分析是以測量某一化學體系的電響應為基礎(chǔ)建立起來的一類分析方法，同時一些電化學檢測方法也是對納米薄膜材料檢測的重要手段。常用于檢測金屬沉積的電化學方法主要有:循環(huán)伏安法(CV)，線性掃描伏安法(LSV)，開路電位時間曲線(OCP-t)和電化學直流極化分析法(Electro chemical depolarization analysis)等。用相

16、應的電化學方法如陽極溶出伏安法，對已沉積的薄膜進行掃描，隨著薄膜的溶解，掃描得到的譜圖中就會出現(xiàn)組分的溶出峰，根據(jù)溶出峰的位置可對組分成分進行定性檢測。同時溶出峰的位置還能判斷薄膜與基體材料的結(jié)合強度，峰面積代表沉積量，即可算出膜的厚度。另外，采用電化學阻抗技術(shù)，還可以研究薄膜的物理參數(shù)。 參考文獻1李鈴，向航. 功能材料與納米技術(shù)M. 北京：化工工業(yè)出版社，2002：13. 2項金鐘，吳興惠. 納米粒子與納米結(jié)構(gòu)薄膜M. 北京：化工工業(yè)出版社，2001：401. 3朱永法. 納來米材料表征與測試M. 北京: 化學工業(yè)出版社,2006. 4川合知仁主編, 陸求實譯. 圖解納米技術(shù)的應用日M. 文匯出版社