納米科學之材料的表征方法

1、納米科學之材料的表征方法第1頁，共59頁，2022年，5月20日，10點6分，星期二材料的表征表征(Characteristic) ：是指利用各種方法和手段對所制備的材料的化學組成、形態(tài)、結構信息、尺寸大小以及物理化學性質等進行的研究。第2頁，共59頁，2022年，5月20日，10點6分，星期二常見的材料的表征方法3.2 材料的表面分析技術 3. 3 材料的尺寸評估 3.1 材料的物相及組成分析 3. 4 材料的特殊性質表征第3頁，共59頁，2022年，5月20日，10點6分，星期二 3.1 納米材料的物相及組成分析一. X射線衍射二. 電子衍射三. 紅外光譜四. 元素分析五. 能譜分析第4頁

2、，共59頁，2022年，5月20日，10點6分，星期二一、 X射線衍射第5頁，共59頁，2022年，5月20日，10點6分，星期二電磁波譜及其在分析技術中的應用射線紫外線可見光紅外線微波超短波短波中波長波10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 1 102 104 (cm)波長電磁波名稱分析方法X射線穆斯堡爾譜X射線衍射X射線光譜EXAFS紫外光譜可見光譜紅外光譜順磁共振核磁共振第6頁，共59頁，2022年，5月20日，10點6分，星期二倫琴德國物理學家(1845-1923) 倫琴是第一屆諾貝爾獎獲得者。1895年他發(fā)現(xiàn)一種穿透力很強的一種射線。x-射線的發(fā)現(xiàn)第7頁，共59頁，202

3、2年，5月20日，10點6分，星期二 倫琴對物理學的最主要貢獻，是發(fā)現(xiàn)了X射線，又叫做倫琴射線。 1895年11月8日，倫琴正在做陰極射線實驗。這次，他用很厚的黑紙把陰極管完全包起來。然而，當倫琴給陰極通電時，他驚奇地看見，不遠處的一塊熒光屏在發(fā)光，他關掉試管，屏幕就停止發(fā)光。由于陰極射線管是被緊緊包裹著，倫琴確信這個現(xiàn)象不是陰極射線造成的，因為幾厘米厚的空氣就能阻擋陰極射線。他斷定存在著一種新的射線。第8頁，共59頁，2022年，5月20日，10點6分，星期二 由于X射線能順利穿透肌肉組織，但穿不過骨骼這樣密度大的組織，于是就在底片上留下陰影。如果骨折的話，在底片上的陰影里很容易找到斷裂處，

4、X射線首先就被應用到外科探傷中去。 X射線被發(fā)現(xiàn)3個月后，奧地利維也納一家著名的醫(yī)院，就開始在外科診斷中用X射線來拍片了。之后，X射線在醫(yī)學診斷上的應用如燎原之火，如 今，拍X光片已成為醫(yī)學診斷中一種常用的手段了。 x-射線的應用第9頁，共59頁，2022年，5月20日，10點6分，星期二x-ray衍射理論要解決的中心問題：在衍射現(xiàn)象和晶體結構之間建立起定性和定量的關系。衍射線在空間的分布反映晶胞的大小、形狀和位向；衍射現(xiàn)象晶體結構衍射線束的強度反映原子的種類及在晶胞中的位置；第10頁，共59頁，2022年，5月20日，10點6分，星期二利用電子的韌制輻射可以獲得X-射線 用高能電子轟擊金屬，

5、電子在打進金屬的過程中急劇減速，按照電磁學，有加速的帶電粒子會輻射電磁波，如果電子能量很大(上萬電子伏)，就可以產生x射線，這是目前實驗室和工廠，醫(yī)院等地方用的產生x射線的方法。X-射線的產生第11頁，共59頁，2022年，5月20日，10點6分，星期二利用原子的內層電子躍遷可產生x射線 電子從高能級往低能級躍遷時候會輻射光子，如果能級的能量差比較大，就可以發(fā)出x射線波段的光子，即：x射線。不同元素的原子發(fā)出的x射線光子不同，這個性質可用來鑒別材料中的元素。 第12頁，共59頁，2022年，5月20日，10點6分，星期二1. 為不帶電的粒子流，實驗發(fā)現(xiàn)不受電場磁場的影響。本質和光一樣。是波長很

6、短的電磁波， 具有波粒二象性； 2. X射線的波長： 10-2 102 3. X射線的 （ ）、振動頻峰 和傳播速度C（ms-1）符合 = c / X-射線的性質第13頁，共59頁，2022年，5月20日，10點6分，星期二 單一物相的鑒定或驗證 物相定性分析 物相分析 混合物相的鑒定（物相鑒定） 物相定量分析 衍射花樣的指數(shù)標定 點陣常數(shù)（晶胞參數(shù)）測定 晶體結構分析 晶體對稱性（空間群）的測定 等效點系的測定 晶體定向 晶粒度測定 結晶度測定, 晶體密度測定 取向度測定 宏觀應力分析X射線衍射數(shù)據(jù)的應用第14頁，共59頁，2022年，5月20日，10點6分，星期二 X射線管主要分密閉式和可

7、拆卸式兩種。廣泛使用的是密閉式?？刹鹦妒絏射線管又稱旋轉陽極靶。常用的X射線靶材有W、Ag、Mo、Ni、Co、Fe、Cr、Cu等。第15頁，共59頁，2022年，5月20日，10點6分，星期二連續(xù)譜： 強度隨波長連續(xù)變化的連續(xù)譜。特征譜：波長一定、強度很大的特征譜。特征譜的波長取決于光管的陽極靶材，不同的靶材具有其特有的特征譜線。 特征譜線又稱為標識譜，即可以來標識物質元素。X射線譜X射線譜第16頁，共59頁，2022年，5月20日，10點6分，星期二二、 電子衍射第17頁，共59頁，2022年，5月20日，10點6分，星期二 衍射法包括X射線衍射、電子衍射和中子衍射等三種分析方法。 X 射線

8、衍射一直是物相分析的主要手段，但電子衍射的應用日益增多，與X 射線物相分析相輔相成。第18頁，共59頁，2022年，5月20日，10點6分，星期二 電子衍射(ED)需要借助于透射電鏡完成。電鏡中的電子衍射規(guī)律與X射線非常相似.是以滿足（或基本滿足）Bragg方程作為產生衍射的必要條件。兩種衍射技術得到的衍射花樣在幾何特征上也大致相似。電子衍射(ED)第19頁，共59頁，2022年，5月20日，10點6分，星期二（1）電子衍射能在同一試樣上將形貌觀察與結構分析結合起來。電子衍射規(guī)律與X射線非常相似，但尚有三個特點：（2）電子波長短，使單晶的電子衍射花樣宛如晶體的倒易點陣的一個二維截面在底片上“放

9、大”投影，從底片上的衍射花樣可直觀地辨認出一些晶體的結構和有關取向關系，對晶體幾何關系的研究遠較X射線衍射簡單。電子衍射特點第20頁，共59頁，2022年，5月20日，10點6分，星期二（3）物質對電子的散射能力強，約為X射線一萬倍，曝光時間短。此外，由于電子穿透能力小，要求試樣薄，使試樣制備比X射線復雜，花樣在精度方面遠比X射線低。第21頁，共59頁，2022年，5月20日，10點6分，星期二電子衍射花樣的分析包括兩個方面： 1）衍射幾何：電子束經晶體散射后所產生的干涉線或斑點的位置； 2）衍射強度：即電子束經晶體散射后所產生的干涉線或斑點的強度。 從衍射幾何方面的分析可獲得大量的晶體學信息

10、。第22頁，共59頁，2022年，5月20日，10點6分，星期二一是平行入射的電子束經薄單晶彈性散射形成的斑點花樣；二是平行入射束經單晶非彈性散射失去很少能量，隨之又被彈性散射而產生的線狀花樣，即菊池線花樣；三是會聚入射束與單晶作用產生的盤、線狀花樣，即會聚束花樣。衍射花樣第23頁，共59頁，2022年，5月20日，10點6分，星期二斑點花樣主要用于確定第二相、孿晶、有序化、調幅結構、取向關系、成像衍射條件等；菊池花樣主要用于襯度分析、結構分析、相變分析以及晶體的精確取向、布拉格位置偏移矢量、電子波波長等參數(shù)的測定；會聚束花樣可用來確定晶體結構及結構缺陷、位錯柏氏矢量取向、微觀應力分布、晶體試

11、樣厚度等。衍射花樣的應用第24頁，共59頁，2022年，5月20日，10點6分，星期二三、 紅外光譜第25頁，共59頁，2022年，5月20日，10點6分，星期二 當一束具有連續(xù)波長的紅外光通過物質，物質分子中某個基團的振動頻率或轉動頻率和紅外光的頻率一樣時，分子就吸收能量由原來的基態(tài)振(轉)動能級躍遷到能量較高的振(轉)動能級，分子吸收紅外輻射后發(fā)生振動和轉動能級的躍遷，該處波長的光就被物質吸收。所以， 紅外光譜光譜法實質上是一種根據(jù)分子內部原子間的相對振動和分子轉動等信息來確定物質分子結構和鑒別化合物的分析方法。紅外光譜第26頁，共59頁，2022年，5月20日，10點6分，星期二 紅外光

12、譜 20 世紀初，已發(fā)表了 100 多種有機化合物的紅外光譜圖，給有機化學家提供了鑒別未知化合物的有力手段。 70 年代，在電子計算機蓬勃發(fā)展的基礎上，傅立葉變換紅外光譜 (FTIR) 實驗技術進入現(xiàn)代化學家的實驗室，成為結構分析的重要工具。 特點：靈敏度高、分辨率高、掃描快速、可聯(lián)機操作、高度計算機化。第27頁，共59頁，2022年，5月20日，10點6分，星期二 紅外光譜 紅外光譜(IR)是鑒別有機物常用的手段之一，有機物中的各種鍵都有其特征的吸收峰。在無機金屬氧化物的表征中，也常使用IR光譜作為輔助手段進行表征。只不過無機物的IR光譜要比有機物簡單的多。但在IR光譜作為物相鑒別方面，常

13、需要和其他手段共同使用，以便相互佐證。第28頁，共59頁，2022年，5月20日，10點6分，星期二 紅外光譜(IR)：少許樣品與KBr混合均勻，充分研磨后壓片。第29頁，共59頁，2022年，5月20日，10點6分，星期二四、 元素分析第30頁，共59頁，2022年，5月20日，10點6分，星期二 在物質成分分析方面，化學分析法有著其他方法不可替代的優(yōu)勢，尤其是在物質常量分析方面。 除化學分析法以外，儀器分析也不可缺少，尤其是在微量或痕量分析方面。常用的元素儀器分析方法有原子吸收、原子發(fā)射、分光光度法、電感耦合等離子發(fā)射光譜、能譜分析等。元素分析第31頁，共59頁，2022年，5月20日，1

14、0點6分，星期二根據(jù)激發(fā)源的不同，電子能譜又分為:X射線光電子能譜(簡稱 XPS)(X-Ray Photoelectron Spectrometer)紫外光電子能譜(簡稱 UPS)(Ultraviolet Photoelectron Spectrometer)俄歇電子能譜(簡稱 AES)(Auger Electron Spectrometer)電子能譜第32頁，共59頁，2022年，5月20日，10點6分，星期二特征：XPS：X射線為激發(fā)光源的光電子能譜。由于各種元素內層電子的結合能是有特征性的，因此可以用來鑒別化學元素。UPS：以紫外線為激發(fā)光源的光電子能譜。與X射線相比能量較低，只能使原子

15、的價電子電離，用于研究價電子和能帶結構的特征。AES：大都用電子作激發(fā)源，因為電子激發(fā)得到的俄歇電子譜強度較大。 光電子或俄歇電子，在逸出的路徑上自由程很短，實際能探測的信息深度只有表面幾個至十幾個原子層，光電子能譜通常用來作為表面分析的方法。第33頁，共59頁，2022年，5月20日，10點6分，星期二化學位移由于化合物結構的變化和元素氧化狀態(tài)的變化引起譜峰有規(guī)律的位移稱為化學位移化合物聚對苯二甲酸乙二酯中三種完全不同的碳原子和兩種不同氧原子1s譜峰的化學位移第34頁，共59頁，2022年，5月20日，10點6分，星期二3.2 材料的表面分析技術第35頁，共59頁，2022年，5月20日，1

16、0點6分，星期二電子束與物質的相互作用陰極發(fā)光軔致輻射X 射 線透射電子俄歇電子衍射電子二次電子反射電子吸收電子電 子探 針掃描電鏡透射電鏡俄歇電子譜儀入射電子束樣 品第36頁，共59頁，2022年，5月20日，10點6分，星期二常用的表面形態(tài)分析一、透射電子顯微鏡 (TEM)二、掃描電子顯微鏡 (SEM)三、掃描隧道顯微鏡 (STM)四、其他顯微鏡第37頁，共59頁，2022年，5月20日，10點6分，星期二TEM電子光學部分真 空 部 分電 子 部 分照明、成象、觀察和記錄機械泵、擴散泵、吸附泵、真空測量、顯示儀表高壓電源、透鏡電源、真空電源、輔助電源、安全系統(tǒng)、總調壓變壓器核心輔助輔助透

17、射電鏡的結構第38頁，共59頁，2022年，5月20日，10點6分，星期二（1）電子光學系統(tǒng) 它是透射電鏡的基礎部分，完全置于鏡體內，其結構自上而下順序排列著電子槍、聚光鏡、樣品室、物鏡、中間鏡、投影鏡、觀察室、熒光屏和照相機構等裝置。根據(jù)這些裝置的功能不同，又可將電子光學系統(tǒng)分為照明系統(tǒng)、樣品室、成像系統(tǒng)和觀察與記錄系統(tǒng)。TEM的構造第39頁，共59頁，2022年，5月20日，10點6分，星期二（3）供電控制系統(tǒng) 透射電子顯微鏡各部分對于電壓和頻率具有不同的要求，這可由內部各種回路來達到，透射電子顯微鏡一般有兩部分電源，一是供給電子槍的高壓部分，二是供給電磁透鏡的低壓穩(wěn)流部分。（2）真空系統(tǒng)

18、 為避免電子束在鏡筒內與空氣分子發(fā)生碰撞而引起電子散射，整個鏡筒必須保持一定的真空度，一般真空度要求達到10-5 乇或更高。第40頁，共59頁，2022年，5月20日，10點6分，星期二高的分辨率。由于超高真空技術的發(fā)展，場發(fā)射電子槍的應用得到普及，現(xiàn)代先進的掃描電鏡的分辨率已經達到1納米左右。有較高的放大倍數(shù)，20-20萬倍之間連續(xù)可調。有很大的景深，視野大，成像富有立體感，可直接觀察各種試樣凹凸不平表面的細微結構。試樣制備簡單?？芍苯佑^察大塊試樣。適用于固體材料樣品表面和界面分析。適合于觀察比較粗糙的表面：材料斷口和顯微組織三維形態(tài)。掃描電鏡的優(yōu)點第41頁，共59頁，2022年，5月20日

19、，10點6分，星期二樣品在水或無水乙醇中超聲分散。 將樣品滴在導電玻璃片上。用雙面膠粘在樣品臺上第42頁，共59頁，2022年，5月20日，10點6分，星期二第43頁，共59頁，2022年，5月20日，10點6分，星期二第44頁，共59頁，2022年，5月20日，10點6分，星期二第45頁，共59頁，2022年，5月20日，10點6分，星期二3.3 納米材料的尺寸評估第46頁，共59頁，2022年，5月20日，10點6分，星期二透射電子顯微鏡 (TEM)或掃描電子顯微鏡(STM)法X射線衍射法 (XRD)粒度分布測定法比表面法 3.3 納米材料的尺寸評估第47頁，共59頁，2022年，5月20

20、日，10點6分，星期二3.4 納米材料的特殊性質表征第48頁，共59頁，2022年，5月20日，10點6分，星期二 3.4 納米材料的特殊性質表征 材料的性質取決于材料的本性（化學組成）、材料的制備方法、顆粒的大小、顆粒的形貌、顆粒的內部結構以及顆粒的表面形態(tài)等。因此，對材料性質的研究不能一概而論，應該具體問題具體分析。第49頁，共59頁，2022年，5月20日，10點6分，星期二Thermal Analysis熱分析第50頁，共59頁，2022年，5月20日，10點6分，星期二定義：熱分析是在程序控制溫度下，測量物質的物理性質與溫度關系的一類技術-國際熱分析協(xié)會(ICTA)這里所說的“程序控

21、制溫度”一般指線性升溫或線性降溫，也包括恒溫、循環(huán)或非線性升溫、降溫。這里的“物質”指試樣本身和(或)試樣的反應產物，包括中間產物 。 熱分析的定義第51頁，共59頁，2022年，5月20日，10點6分，星期二熱重分析（TG）；（重量）微商熱重（DTG ）（重量）差熱分析（DTA）（熱量）差示掃描量熱分析（DSC）；（熱量）熱機械分析（TMA）（長度）逸出氣體分析（EGA）（產生氣體） 熱分析的分類第52頁，共59頁，2022年，5月20日，10點6分，星期二1.成份分析：無機物、有機物、藥物和高聚物的鑒別和分析以及它們的相圖研究。2.穩(wěn)定性測定：物質的熱穩(wěn)定性、抗氧化性能的測定等。3.化學反

22、應的研究：固-氣反應研究、催化性能測定、反應動力學研究、反應熱測定、相變和結晶過程研究。4.材料質量測定：純度測定、物質的玻璃化轉變和居里點、材料的使用壽命測定。5.環(huán)境監(jiān)測：研究蒸汽壓、沸點、易燃性等。熱分析的應用第53頁，共59頁，2022年，5月20日，10點6分，星期二1. 可在寬廣的溫度范圍內對樣品進行研究；2. 可使用各種溫度程序（不同的升降溫速率）；3. 對樣品的物理狀態(tài)無特殊要求；4. 所需樣品量可以很少（0.1g - 10mg）；5. 儀器靈敏度高（質量變化的精確度達10-5）；6. 可與其他技術聯(lián)用（質譜儀、紅外光譜儀、X光衍射儀）；熱分析的優(yōu)點第54頁，共59頁，2022年，5月20日，10點6分，星期二熱分析木印刷DSCTGDTATMA復合分析醫(yī)藥品香料