納米材料第二章納米材料的表征方法-課件

第二章納米材料的表征方法納米材料

Nanomaterials紀(jì)楨

化工化學(xué)系第二章納米材料的表征方法納米材料

Nanomateri1

一.表征概述二.顯微技術(shù)三.衍射技術(shù)四.能譜技術(shù)五.光譜技術(shù)六.粒度表征

主要內(nèi)容納米材料

Nanomaterials一.表征概述主要內(nèi)容2一.表征概述1.材料表征的目的與任務(wù)表征的目的：測(cè)試材料的結(jié)構(gòu)與性能。材料的性能決定于材料的結(jié)構(gòu)，如果我們能夠找到納米材料結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，獲得制備條件影響材料結(jié)構(gòu)的信息，那么我們就能夠利用這些信息來(lái)建立計(jì)算機(jī)模型，預(yù)測(cè)納米結(jié)構(gòu)-性能-制備條件之間的關(guān)系。表征的主要任務(wù):（1）納米尺度上(0.1～100nm)分析納米結(jié)構(gòu)材料和器件的組成、構(gòu)造；（2）探索新現(xiàn)象、發(fā)展新材料和新的器件。納米材料

Nanomaterials一.表征概述1.材料表征的目的與任務(wù)表征的目的：測(cè)試材料的結(jié)32.納米檢測(cè)發(fā)展20世紀(jì)60年代電子顯微鏡技術(shù)（TEM、SEM等）20世紀(jì)80年代掃描隧道顯微鏡技術(shù)（STM）原子力顯微鏡（AFM）20世紀(jì)90年代掃描探針顯微鏡(SPM)技術(shù)搬動(dòng)原子組成納米結(jié)構(gòu)圖案本世紀(jì)初使用高分辨電鏡及能譜(EDS)技術(shù)分析材料組成與結(jié)構(gòu)。納米材料

Nanomaterials2.納米檢測(cè)發(fā)展20世紀(jì)60年代電子顯微鏡技術(shù)（43.常用表征技術(shù)

顯微技術(shù)：TEM，SEM，STM，AFM

分析納米材料的粒度與形貌衍射技術(shù)：X-射線衍射(XRD)、電子衍射(ERD)。分析結(jié)構(gòu)能譜技術(shù)：能譜(EDS)，俄歇電子能譜(AES），

X射線光電子能譜(XPS)

分析成分與表/界面光譜技術(shù)：紅外光譜(IR)，拉曼（Raman）光譜。分析成分與表/界面其它：比表面分析(BET)等納米材料

Nanomaterials3.常用表征技術(shù)顯微技術(shù)：TEM，SEM，S5二.顯微技術(shù)1.TEM（透射電子顯微鏡）

工作原理：

以高能電子（50-200keV）穿透樣品，以波長(zhǎng)很短的電子束做照明源，根據(jù)樣品不同位置的電子透過強(qiáng)度不同或電子透過晶體樣品的衍射方向不同，經(jīng)過后面的電磁透鏡的放大后，在熒光屏上顯示出圖象.

其成像原理與光學(xué)顯微鏡類似。它們的根本不同點(diǎn)在于：光學(xué)顯微鏡以可見光作照明束，透射電子顯微鏡則以電子為照明束。在光學(xué)顯微鏡中將可見光聚焦成像的是玻璃透鏡，在電子顯微鏡中相應(yīng)的為磁透鏡。納米材料

Nanomaterials二.顯微技術(shù)1.TEM（透射電子顯微鏡）納米材料

6TEM儀器圖片納米材料

NanomaterialsTEM儀器圖片納米材料

Nanomaterials7為什么采用電子束而不用自然光？顯微鏡的分辨率自然光與電子束的波長(zhǎng)有效放大倍數(shù)納米材料

Nanomaterials為什么采用電子束而不用自然光？顯微鏡的分辨率納米材料

N8顯微鏡的分辨率通常人眼的分辨本領(lǐng)大概是0.2mm（即人眼可分辨的兩點(diǎn)間最小距離為0.2mm）顯微鏡可分辨的兩點(diǎn)間的最小距離，即為顯微鏡的分辨率納米材料

Nanomaterials顯微鏡的分辨率通常人眼的分辨本領(lǐng)大概是0.2mm（即人眼可分9自然光與電子束的波長(zhǎng)可見光的波長(zhǎng)在390～760nm電子波長(zhǎng)：取V=100kV，理論得到電子波長(zhǎng)為0.0037nm納米材料

Nanomaterials自然光與電子束的波長(zhǎng)可見光的波長(zhǎng)在390～760nm取V=110采用物鏡的孔徑角接近90度考慮采用可見光波長(zhǎng)極限390nm的光束照明顯微鏡系統(tǒng)，可得d約為200nm對(duì)于TEM在100kV加速電壓下，波長(zhǎng)0.0037nm，d約為0.002nm，目前電子顯微鏡達(dá)不到其理論極限分辨率，最小分辨率達(dá)到0.1nm納米材料

Nanomaterials采用物鏡的孔徑角接近90度納米材料

Nanomateri11為什么采用電子束做為光源?結(jié)論：由顯微鏡的分辨率與光源的波長(zhǎng)決定了透射電子顯微鏡的放大倍率遠(yuǎn)大于普通光學(xué)顯微鏡；一般來(lái)說，光學(xué)顯微鏡的最大放大倍率在2000倍左右，而透射電子顯微鏡的放大倍率可達(dá)百萬(wàn)倍。電磁透鏡的分辨本領(lǐng)比光學(xué)玻璃透鏡提高一千倍左右，可以達(dá)到2?的水平，使觀察物質(zhì)納米級(jí)微觀結(jié)構(gòu)成為可能。納米材料

Nanomaterials為什么采用電子束做為光源?結(jié)論：納米材料

Nanomat12透射電子顯微鏡結(jié)構(gòu)原理電子光學(xué)系統(tǒng)真空系統(tǒng)操作控制系統(tǒng)納米材料

Nanomaterials透射電子顯微鏡結(jié)構(gòu)原理電子光學(xué)系統(tǒng)納米材料

Nanoma13電子光學(xué)系統(tǒng)照明系統(tǒng)成像系統(tǒng)觀察記錄系統(tǒng)納米材料

Nanomaterials電子光學(xué)系統(tǒng)照明系統(tǒng)成像系統(tǒng)觀察記錄系統(tǒng)納米材料

Nan14照明系統(tǒng)作用是提供光源（控制其穩(wěn)定度、照明強(qiáng)度和照明孔徑角）；選擇照明方式（明場(chǎng)或暗場(chǎng)成像）。陰極控制極陽(yáng)極電子束聚光鏡試樣照明系統(tǒng)作用是提供光源（控制其穩(wěn)定度、照明強(qiáng)度和照明孔徑角）15（1）陰極電子源：鎢燈絲—熱發(fā)射束流密度~10A/cm2束斑大小~4nm2.

場(chǎng)發(fā)射源束流密度105A/cm2

束斑大小<1nm常用肖特基源（1）陰極電子源：束流密度~10A/cm22.場(chǎng)發(fā)射源束流16（2）陽(yáng)極加速?gòu)年帢O發(fā)射出的電子。為了操作安全，一般是陽(yáng)極接地，陰極帶有負(fù)高壓。-50~200kV納米材料

Nanomaterials（2）陽(yáng)極加速?gòu)年帢O發(fā)射出的電子。納米材料

Nanoma17（3）控制極會(huì)聚電子束；控制電子束電流大小，調(diào)節(jié)像的亮度。陰極、陽(yáng)極和控制極決定著電子發(fā)射的數(shù)目及其動(dòng)能，習(xí)慣通稱為“電子槍”。電子槍的重要性僅次于物鏡。決定像的亮度、圖像穩(wěn)定度和穿透樣品的能力。

納米材料

Nanomaterials（3）控制極會(huì)聚電子束；控制電子束電流大小，調(diào)節(jié)像的亮度。納18(4)聚光鏡由于電子之間的斥力和陽(yáng)極小孔的發(fā)散作用，電子束穿過陽(yáng)極后，逐漸變粗，射到試樣上仍然過大。聚光鏡有增強(qiáng)電子束密度和再次將發(fā)散的電子會(huì)聚起來(lái)的作用。多為磁透鏡，調(diào)節(jié)其電流，控制照明亮度、照明孔徑角和束斑大小。納米材料

Nanomaterials(4)聚光鏡由于電子之間的斥力和陽(yáng)極小孔的發(fā)散作用，電子束19(4)聚光鏡高性能TEM采用雙聚光鏡系統(tǒng)，提高照明效果。納米材料

Nanomaterials(4)聚光鏡高性能TEM采用雙納米材料

Nanomate20成像系統(tǒng)照明系統(tǒng)成像系統(tǒng)觀察記錄系統(tǒng)納米材料

Nanomaterials成像系統(tǒng)照明系統(tǒng)成像系統(tǒng)觀察記錄系統(tǒng)納米材料

Nanom21（1）物鏡物鏡是將試樣形成一次放大像和衍射譜。決定透射電鏡的分辨本領(lǐng)，要求它有盡可能高的分辨本領(lǐng)、足夠高的放大倍數(shù)和盡可能小的像差。通常采用強(qiáng)激磁，短焦距的物鏡。放大倍數(shù)較高，一般為100～300倍。目前高質(zhì)量物鏡分辨率可達(dá)0.1nm左右。納米材料

Nanomaterials（1）物鏡物鏡是將試樣形成一次放大像和衍射譜。納米材料

22（2）中間鏡中間鏡是弱磁透鏡，它的功能是把物鏡形成的一次中間像或衍射譜投射到投影鏡物面上，再由投射鏡放大到終平面（熒光屏）。弱激磁的長(zhǎng)焦距變倍透鏡，0～20倍可調(diào)。在電鏡中變倍率的中間鏡控制總放大倍率，用M表示放大倍率，它等于成像系統(tǒng)各透鏡放大率的乘積，即：需要提及的一點(diǎn)是：增加中間鏡的數(shù)量，可以增加放大倍數(shù)；但當(dāng)達(dá)到顯微鏡有效放大倍數(shù)時(shí)，再增加中間鏡的數(shù)量已是徒勞的；因?yàn)榇藭r(shí)顯微鏡所能提供的分辨率已經(jīng)達(dá)到極限，縱使繼續(xù)放大，也無(wú)法分辨出更緊密的兩點(diǎn)。納米材料

Nanomaterials（2）中間鏡中間鏡是弱磁透鏡，它的功能是把物鏡形成的一次中間23（3）投影鏡投影鏡的功能是把中間鏡形成的二次像及衍射譜放大到熒光屏上，成為試樣最終放大圖像及衍射譜。它和物鏡一樣是短焦距強(qiáng)磁透鏡。但是對(duì)投影鏡精度的要求不像物鏡那么嚴(yán)格，因?yàn)樗皇前盐镧R形成的像做第三次放大。具有很大的場(chǎng)深和焦深.場(chǎng)深是指在保持象清晰的前提下，試樣在物平面上下沿鏡軸可移動(dòng)的距離，或者說試樣超越物平面所允許的厚度。焦深是指在保持象清晰的前提下，象平面沿鏡軸可移動(dòng)的距離，或者說觀察屏或照相底版沿鏡軸所允許的移動(dòng)距離。納米材料

Nanomaterials（3）投影鏡投影鏡的功能是把中間鏡形成的二次像及衍射譜放大到24成像系統(tǒng)成像系統(tǒng)的兩個(gè)基本操作是將衍射花樣或圖像投影到熒光屏上。（a）調(diào)整中間鏡的透鏡電流，使中間鏡的物平面與物鏡的背焦面重合，此時(shí)背焦面上形成的衍射斑點(diǎn)就會(huì)被中間鏡進(jìn)一步放大，并經(jīng)過投影鏡投影到熒光屏上得到衍射花樣。（b）由于物鏡成像在中間鏡以前，因此中間鏡以物鏡像為物，所成圖像在投影鏡前匯聚，投影鏡以中間鏡像為物進(jìn)行投影。納米材料

Nanomaterials成像系統(tǒng)成像系統(tǒng)的兩個(gè)基本操作是將衍射花樣或圖像投影到熒光屏25成像系統(tǒng)材料研究中，希望弄清很小區(qū)域的結(jié)構(gòu)和形貌，既要觀察其顯微像（形貌），又要得到其衍射花樣（分析結(jié)構(gòu)）。衍射狀態(tài)與成像狀態(tài)的變換是通過改變中間鏡的激磁電流實(shí)現(xiàn)的。先觀察顯微像，再轉(zhuǎn)換到衍射花樣。納米材料

Nanomaterials成像系統(tǒng)材料研究中，希望弄清很小區(qū)域的結(jié)構(gòu)和形貌，既要觀察其26電子光學(xué)系統(tǒng)照明系統(tǒng)成像系統(tǒng)觀察記錄系統(tǒng)納米材料

Nanomaterials電子光學(xué)系統(tǒng)照明系統(tǒng)成像系統(tǒng)觀察記錄系統(tǒng)納米材料

Nan27觀察紀(jì)錄系統(tǒng)這部分的主要作用是提供獲取信息，一般由熒光屏，照相機(jī)，數(shù)據(jù)顯示等組成納米材料

Nanomaterials觀察紀(jì)錄系統(tǒng)這部分的主要作用是提供獲取信息，一般由熒光屏，照28真空系統(tǒng)由機(jī)械泵，擴(kuò)散泵，控制閥門和儀表組成，它的作用是：避免電子和氣體分子相遇，防止干擾減小樣品污染延長(zhǎng)燈絲壽命納米材料

Nanomaterials真空系統(tǒng)由機(jī)械泵，擴(kuò)散泵，控制閥門和儀表組成，它的作用是：避29操作控制系統(tǒng)提供透鏡組件線圈的電流電壓保證電流電壓穩(wěn)定，防止因電壓波動(dòng)引起色差，從而影響分辨率提供各種操作模式的選擇和切換提供系統(tǒng)的預(yù)警和自動(dòng)保護(hù)裝置納米材料

Nanomaterials操作控制系統(tǒng)提供透鏡組件線圈的電流電壓納米材料

Nano30透射電子顯微鏡樣品制備TEM應(yīng)用的深度和廣度一定程度上取決于試樣制備技術(shù)。能否充分發(fā)揮電鏡的作用，樣品的制備是關(guān)鍵，必須根據(jù)不同儀器的要求和試樣的特征選擇適當(dāng)?shù)闹苽浞椒āｋ娮邮┩腹腆w樣品的能力，主要取決于電壓V和樣品物質(zhì)的原子序數(shù)Z。一般V越高，Z越低，電子束可以穿透的樣品厚度越大。納米材料

Nanomaterials透射電子顯微鏡樣品制備TEM應(yīng)用的深度和廣度一定程度上取決于31透射電子顯微鏡樣品制備制樣要求：

a.對(duì)于TEM常用的50～200kV電子束，樣品厚度控制在100～200nm，樣品經(jīng)銅網(wǎng)承載，裝入樣品臺(tái)，放入樣品室進(jìn)行觀察。

b.制樣過程要防止污染和改變樣品的性質(zhì)，如機(jī)械損傷或熱損傷等；

c.根據(jù)觀察的目的和樣品的性質(zhì)，確定制樣方法。納米材料

Nanomaterials透射電子顯微鏡樣品制備制樣要求：納米材料

Nanomat32透射電子顯微鏡樣品制備制樣方法

a.粉末法

b.化學(xué)減薄法

c.雙噴電解減薄法

d.離子減薄法

e.復(fù)型法

納米材料

Nanomaterials透射電子顯微鏡樣品制備制樣方法納米材料

Nanomate33透射電子顯微鏡樣品制備粉末法

1.主要用于原始狀態(tài)成粉末狀的樣品，如炭黑，黏土及溶液中沉淀的微細(xì)顆粒，其粒徑一般在1μm以下。

2.制樣過程中基本不破壞樣品，除對(duì)樣品結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察外，還可對(duì)其形狀，聚集狀態(tài)及粒度分布進(jìn)行研究。納米材料

Nanomaterials透射電子顯微鏡樣品制備粉末法納米材料

Nanomater34透射電子顯微鏡樣品制備制樣步驟：

a.將樣品搗碎；

b.將粉末投入液體，用超聲波振動(dòng)成懸浮液，液體可以是水，甘油，酒精等，根據(jù)試樣粉末性質(zhì)而定；

c.觀察時(shí)，將懸浮液滴于附有支持膜的銅網(wǎng)上，待液體揮發(fā)后即可觀察。納米材料

Nanomaterials透射電子顯微鏡樣品制備制樣步驟：納米材料

Nanomat35透射電子顯微鏡樣品制備化學(xué)減薄法

1.此法是利用化學(xué)溶液對(duì)物質(zhì)的溶解作用達(dá)到減薄樣品的目的。

2.通常采用硝酸，鹽酸，氫氟酸等強(qiáng)酸作為化學(xué)減薄液，因而樣品的減薄速度相當(dāng)快。納米材料

Nanomaterials透射電子顯微鏡樣品制備化學(xué)減薄法納米材料

Nanomat36透射電子顯微鏡樣品制備制樣步驟：

a.將樣品切片，邊緣涂以耐酸漆，防止邊緣因溶解較快而使薄片面積變?。?/p>

b.薄片洗滌，去除油污，洗滌液可為酒精，丙酮等；

c.將樣品懸浮在化學(xué)減薄液中減??；

d.檢查樣品厚度，旋轉(zhuǎn)樣品角度，進(jìn)行多次減薄直至達(dá)到理想厚度，清洗。納米材料

Nanomaterials透射電子顯微鏡樣品制備制樣步驟：納米材料

Nanomat37透射電子顯微鏡樣品制備化學(xué)減薄法的缺點(diǎn)：

1.減薄液與樣品反應(yīng)，會(huì)發(fā)熱甚至冒煙；

2.減薄速度難以控制；

3.不適于溶解度相差較大的混合物樣品。納米材料

Nanomaterials透射電子顯微鏡樣品制備化學(xué)減薄法的缺點(diǎn)：納米材料

Nan38透射電子顯微鏡樣品制備雙噴電解減薄法

1.此法是通過電解液對(duì)金屬樣品的腐蝕，達(dá)到減薄目的。

2.減薄步驟：

a.用化學(xué)減薄機(jī)或機(jī)械研磨，制成薄片，并沖成3mm直徑的圓片，拋光；

b.將樣品放入減薄儀，接通電源；

c.樣品穿孔后，光導(dǎo)控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切斷電源，并發(fā)出警報(bào)。此時(shí)應(yīng)關(guān)閉電源，馬上沖洗樣品，減小腐蝕和污染。納米材料

Nanomaterials透射電子顯微鏡樣品制備雙噴電解減薄法納米材料

Nanom39透射電子顯微鏡樣品制備雙噴電解減薄法

缺點(diǎn)： 只適用于金屬導(dǎo)體，對(duì)于不導(dǎo)電的樣品無(wú) 能為力。納米材料

Nanomaterials透射電子顯微鏡樣品制備雙噴電解減薄法缺點(diǎn)：納米材料

Na40透射電子顯微鏡樣品制備離子減薄法

1.用高能量的氬離子流轟擊樣品，使其表面原子不斷剝離，達(dá)到減薄的目的。

2.主要用于非金屬塊狀樣品，如陶瓷，礦物材料等。納米材料

Nanomaterials透射電子顯微鏡樣品制備離子減薄法納米材料

Nanomat41透射電子顯微鏡樣品制備將樣品手工或機(jī)械打磨到30~50μm。用環(huán)氧樹脂將銅網(wǎng)粘在樣品上，用鑷子將大于銅網(wǎng)四周的樣品切掉。將樣品放減薄器中減薄，減薄時(shí)工作電壓為5kV，電流為0.1mA，樣品傾角為15°樣品穿孔后，孔洞周圍的厚度可滿足電鏡對(duì)樣品的觀察需要。非金屬導(dǎo)電性差，觀察前對(duì)樣品進(jìn)行噴碳處理，防止電荷積累。優(yōu)點(diǎn)：易于控制，可以提供大面積的薄區(qū)。缺點(diǎn)：速度慢，減薄一個(gè)樣品需十幾個(gè)小時(shí)到幾十個(gè)小時(shí)。制樣步驟：納米材料

Nanomaterials透射電子顯微鏡樣品制備將樣品手工或機(jī)械打磨到30~50μm。42透射電子顯微鏡樣品制備復(fù)型法

a.對(duì)物體表面特征進(jìn)行復(fù)制的一種制樣方法。

b.目的在于將物體表面的凹凸起伏轉(zhuǎn)換為復(fù)型材料的厚度差異，然后在電鏡下觀察，設(shè)法使這種差異轉(zhuǎn)換為透射電子顯微像的襯度高低。

c.表面顯微組織浮雕的復(fù)型膜，只能進(jìn)行形貌觀察和研究，不能研究試樣的成分分布和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

d.同一試塊，方法不同，得到復(fù)型像和像的強(qiáng)度分布差別很大，應(yīng)根據(jù)選用的方法正確解釋圖像。

納米材料

Nanomaterials透射電子顯微鏡樣品制備復(fù)型法納米材料

Nanomater43透射電子顯微鏡樣品制備復(fù)型材料要求

a.復(fù)型材料本身在電鏡中不顯示結(jié)構(gòu)，應(yīng)為非晶物質(zhì)。

b.有一定的強(qiáng)度和硬度，便于成型及保存，且不易損壞。

c.有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，在電子束的照射下性質(zhì)穩(wěn)定。納米材料

Nanomaterials透射電子顯微鏡樣品制備復(fù)型材料要求納米材料

Nanoma44透射電子顯微鏡樣品制備復(fù)型類型塑料一級(jí)復(fù)型碳一級(jí)復(fù)型塑料-碳二級(jí)復(fù)型抽取復(fù)型納米材料

Nanomaterials透射電子顯微鏡樣品制備復(fù)型類型納米材料

Nanomate45透射電子顯微鏡樣品制備分辨率1－2nm，電子束照射下易分解和破裂。塑料一級(jí)復(fù)型樣品上滴濃度為1%的火棉膠醋酸戍酯溶液或醋酸纖維素丙酮溶液，溶液在樣品表面展平，多余的用濾紙吸掉，溶劑蒸發(fā)后樣品表面留下一層100nm左右的塑料薄膜。印模表面與樣品表面特征相反。納米材料

Nanomaterials透射電子顯微鏡樣品制備分辨率1－2nm，電子束照射下易分解和46透射電子顯微鏡樣品制備碳一級(jí)復(fù)型樣品放入真空鍍膜裝置中，在垂直方向上向樣品表面蒸鍍一層厚度為數(shù)十納米的碳膜。優(yōu)點(diǎn)：圖像分辨率高2－5nm，導(dǎo)電導(dǎo)熱性能好,電子束照下穩(wěn)定缺點(diǎn)：很難將碳膜從樣品上剝離納米材料

Nanomaterials透射電子顯微鏡樣品制備碳一級(jí)復(fù)型納米材料

Nanomat47透射電子顯微鏡樣品制備塑料-碳二級(jí)復(fù)型先用塑料做一級(jí)復(fù)型，以它為模型做碳的復(fù)型。用試劑溶去一級(jí)復(fù)型，經(jīng)過兩次復(fù)制的復(fù)型稱二級(jí)復(fù)型。為了增加襯度可在傾斜15-45°的方向上噴鍍一層重金屬，如Cr、Au等。納米材料

Nanomaterials透射電子顯微鏡樣品制備塑料-碳二級(jí)復(fù)型納米材料

Nan48二級(jí)復(fù)型照片納米材料

Nanomaterials二級(jí)復(fù)型照片納米材料

Nanomaterials49二級(jí)復(fù)型照片納米材料

Nanomaterials二級(jí)復(fù)型照片納米材料

Nanomaterials50透射電子顯微鏡樣品制備抽取復(fù)型又稱萃取復(fù)型，用碳膜把經(jīng)過深度侵蝕試樣表面的第二相粒子（如雜質(zhì)）黏附下來(lái)。在透鏡下可觀察第二相粒子形狀，大小，分布及其與樣品組織結(jié)構(gòu)的關(guān)系。納米材料

Nanomaterials透射電子顯微鏡樣品制備抽取復(fù)型納米材料

Nanomate51TiO2納米棒TEM圖片高分辨TEM（HRTEM）圖片TEM圖片納米材料

NanomaterialsTiO2納米棒TEM圖片高分辨TEM（HRTEM）圖片TEM52TiO2納米管的精細(xì)結(jié)構(gòu)TiO2納米管HRTEM圖片TiO2納米管TEM圖片納米材料

NanomaterialsTiO2納米管的精細(xì)結(jié)構(gòu)TiO2納米管HRTEM圖片TiO2532.掃描電子顯微鏡(SEM)成像原理：與透射電鏡完全不同：高能電子轟擊樣品表面。激發(fā)各種信息。二次電子、透射電子、俄歇電子、X射線等。不同的信息檢測(cè)器。高真空狀態(tài)工作成像。主要特點(diǎn)：分辯率遜色于透射電鏡數(shù)十倍。樣品需要導(dǎo)電。納米材料

Nanomaterials2.掃描電子顯微鏡(SEM)成像原理：與透射電鏡完全不同54SEM儀器圖片納米材料

NanomaterialsSEM儀器圖片納米材料

Nanomaterials55SEM的優(yōu)點(diǎn)：納米材料

NanomaterialsSEM的優(yōu)點(diǎn)：納米材料

Nanomaterials562.掃描電鏡的主要結(jié)構(gòu)主要包括有電子光學(xué)系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)、信號(hào)檢測(cè)放大系統(tǒng)、圖象顯示和記錄系統(tǒng)、電源和真空系統(tǒng)等。透射電鏡一般是電子光學(xué)系統(tǒng)（照明系統(tǒng)）、成像放大系統(tǒng)、觀察成像系統(tǒng)、真空系統(tǒng)及操作控制系統(tǒng)等幾部分組成。比較2.掃描電鏡的主要結(jié)構(gòu)透射電鏡一般是電子光學(xué)系統(tǒng)（照明57樣品入射電子

Auger電子

陰極發(fā)光背散射電子二次電子X射線透射電子

樣品入射電子Auger電子陰極發(fā)光背散射電子二次58各種信息的作用深度

從圖中可以看出，俄歇電子的穿透深度最小，一般穿透深度小于1nm，二次電子小于10nm。各種信息的作用深度從圖中可以看出，俄歇電子的穿透深度最小，59二次電子

入射電子與樣品相互作用后，使樣品原子較外層電子（價(jià)帶或?qū)щ娮樱╇婋x產(chǎn)生的電子，稱二次電子。二次電子能量比較低，習(xí)慣上把能量小于50eV電子統(tǒng)稱為二次電子，僅在樣品表面5nm－10nm的深度內(nèi)才能逸出表面，這是二次電子分辨率高的重要原因之一。二次電子入射電子與樣品相互作用后，使樣品原子較外層電子（60二次電子象

二次電子象是表面形貌襯度，它是利用對(duì)樣品表面形貌變化敏感的物理信號(hào)作為調(diào)節(jié)信號(hào)得到的一種象襯度。因?yàn)槎坞娮有盘?hào)主要來(lái)處樣品表層5－10nm的深度范圍，它的強(qiáng)度與原子序數(shù)沒有明確的關(guān)系，便對(duì)微區(qū)表面相對(duì)于入射電子束的方向卻十分敏感，二次電子像分辨率比較高，所以適用于顯示形貌襯度。注意

在掃描電鏡中，二次電子檢測(cè)器一般是裝在入射電子束軸線垂直的方向上。二次電子象二次電子象是表面形貌襯度，它是利用對(duì)樣品表面形61背散射電子像

背散射電子是指入射電子與樣品相互作用(彈性和非彈性散射)之后，再次逸出樣品表面的高能電子，其能量接近于入射電子能量(E。)。背射電子的產(chǎn)額隨樣品的原子序數(shù)增大而增加，所以背散射電子信號(hào)的強(qiáng)度與樣品的化學(xué)組成有關(guān)，即與組成樣品的各元素平均原子序數(shù)有關(guān)。背散射電子像背散射電子是指入射電子與樣品相互作用62背散射電子像

背散射電子像的形成，就是因?yàn)闃悠繁砻嫔掀骄有驍?shù)較大的部位而形成較亮的區(qū)域，產(chǎn)生較強(qiáng)的背散射電子信號(hào)；而平均原子序數(shù)較低的部位則產(chǎn)生較少的背散射電子，在熒光屏上或照片上就是較暗的區(qū)域，這樣就形成原子序數(shù)襯度。背散射電子像背散射電子像的形成，就是因?yàn)闃悠繁砻嫔掀骄?3玻璃不透明區(qū)域的背散射電子像玻璃不透明區(qū)域的背散射電子像64斷口分析典型的功能陶瓷沿晶斷口的二次電子像，斷裂均沿晶界發(fā)生，有晶粒拔出現(xiàn)象，晶粒表面光滑，還可以看到明顯的晶界相。斷口分析典型的功能陶瓷沿晶斷口的二次電子像，斷裂均沿晶界發(fā)65粉體形貌觀察α—Al203團(tuán)聚體(a)和團(tuán)聚體內(nèi)部的一次粒子結(jié)構(gòu)形態(tài)(b)(a)300×(b)6000×粉體形貌觀察α—Al203團(tuán)聚體(a)和團(tuán)聚體內(nèi)部的一次粒66鈦酸鉍鈉粉體的六面體形貌20000×鈦酸鉍鈉粉體的六面體形貌20000×67掃描電鏡的主要性能與特點(diǎn)放大倍率較高（M=Ac/As）分辨率較高（d0=dmin/M總）景深大（F≈d0/β）保真度好樣品制備簡(jiǎn)單掃描電鏡的主要性能與特點(diǎn)68放大倍率高從幾十放大到幾十萬(wàn)倍，連續(xù)可調(diào)。放大倍率不是越大越好，要根據(jù)有效放大倍率和分析樣品的需要進(jìn)行選擇。如果放大倍率為M，人眼分辨率為0.2mm，儀器分辨率為5nm，則有效放大率M＝0.2

106nm

5nm=40000（倍）。如果選擇高于40000倍的放大倍率，不會(huì)增加圖像細(xì)節(jié)，只是虛放，一般無(wú)實(shí)際意義。放大倍率是由分辨率制約，不能盲目看儀器放大倍率指標(biāo)。放大倍率高從幾十放大到幾十萬(wàn)倍，連續(xù)可調(diào)。放大倍率不是越69

分辨率高SEM是用電子束照射樣品，電子束是一種DeBroglie波，具有波粒二相性，

＝12.26/V0.5(伏)，如果V＝20kV時(shí)，則

＝0.0085nm。目前用W燈絲的SEM，分辨率已達(dá)到3nm-6nm,場(chǎng)發(fā)射源SEM分辨率可達(dá)到1nm。高分辨率的電子束直徑要小，分辨率與子束直徑近似相等。

分辨率高SEM是用電子束照射樣品，電子束是70景深D大

景深大的圖像立體感強(qiáng)，對(duì)粗糙不平的斷口樣品觀察需要大景深的SEM。SEM的景深Δf可以用如下公式表示：Δf=

式中D為工作距離，a為物鏡光闌孔徑，M為放大倍率，d為電子束直徑?？梢钥闯?，長(zhǎng)工作距離、小物鏡光闌、低放大倍率能得到大景深圖像。景深D大景深大的圖像立體感強(qiáng)，對(duì)粗糙不平的斷口樣品觀察71多孔SiC陶瓷的二次電子像多孔SiC陶瓷的二次電子像72一般情況下，SEM景深比TEM大10倍，比光學(xué)顯微鏡（OM）大100倍。如10000倍時(shí),TEM:D＝1

m，SEM:10

m,100倍時(shí)，OM:10

m，SEM=1000

m。一般情況下，SEM景深比TEM大10倍，比光學(xué)顯微鏡（OM）73保真度好樣品通常不需要作任何處理即可以直接進(jìn)行觀察，所以不會(huì)由于制樣原因而產(chǎn)生假象。這對(duì)斷口的失效分析特別重要。保真度好樣品通常不需要作任何處理即可以直接進(jìn)行觀察，所以74樣品制備簡(jiǎn)單

樣品可以是自然面、斷口、塊狀、粉體、反光及透光光片，對(duì)不導(dǎo)電的樣品只需蒸鍍一層20nm的導(dǎo)電膜。另外，現(xiàn)在許多SEM具有圖像處理和圖像分析功能。有的SEM加入附件后，能進(jìn)行加熱、冷卻、拉伸及彎曲等動(dòng)態(tài)過程的觀察。樣品制備簡(jiǎn)單樣品可以是自然面、斷口、塊狀、粉體、反光及753.掃描探針顯微鏡(sanningprobemicroscopy)掃描探針顯微鏡（SPM）掃描力顯微（SFM）掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微境（SNOM）彈道電子發(fā)射顯微鏡（BEEM）原子力顯微鏡AFM）

掃描隧道顯微鏡（STM）納米材料

Nanomaterials3.掃描探針顯微鏡掃描探針顯微鏡掃描力顯微（SFM）掃描76(1)掃描隧道顯微鏡(STM)上世紀(jì)80年代初，IBM公司的賓尼博士和羅雷爾發(fā)明了隧道顯微鏡，1986年他倆與發(fā)明電子顯微鏡的魯斯卡獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

工作原理：基于量子的隧道效應(yīng)，將原子尺度的極細(xì)探針和被研究物質(zhì)（樣品）表面作為兩個(gè)電極，當(dāng)探針與樣品之間非常接近（通常小于1nm），在外加電場(chǎng)的作用下，電子會(huì)穿過兩個(gè)電極的絕緣層從一極流向另一極，這種現(xiàn)象稱為隧道效應(yīng)。納米材料

Nanomaterials(1)掃描隧道顯微鏡(STM)上世紀(jì)80年代初，IBM公77掃描隧道顯微鏡（STM）的特點(diǎn)：1.具有原子分辯率。2.可實(shí)時(shí)得到在實(shí)空間中表面的三維圖象；3.可以觀察單個(gè)原子層的局部表面結(jié)構(gòu)。4.可在真空、大氣、常溫等不同環(huán)境下工作；甚至水中。對(duì)樣品無(wú)損。5.可得到表面電子結(jié)構(gòu)的信息。（配合掃描隧道譜）。但是只能觀測(cè)導(dǎo)體和半導(dǎo)體的表面結(jié)構(gòu)納米材料

Nanomaterials掃描隧道顯微鏡（STM）的特點(diǎn)：1.具有原子分辯率。納米材料78STM的基本原理掃描隧道顯微鏡的工作原理是基于量子力學(xué)的隧道效應(yīng)。對(duì)于經(jīng)典物理學(xué)來(lái)說，當(dāng)一粒子的動(dòng)能E低于前方勢(shì)壘的高度V0時(shí)，它不可能越過此勢(shì)壘，即透射系數(shù)等于零，粒子將完全被彈回。而按照量子力學(xué)的計(jì)算，在一般情況下，其透射系數(shù)不等于零，也就是說，粒子可以穿過比它的能量更高的勢(shì)壘，這個(gè)現(xiàn)象稱為隧道效應(yīng)。1、隧道效應(yīng)STM的基本原理掃描隧道顯微鏡的工作原理是基于量子力學(xué)的隧道79STM的基本原理

掃描隧道顯微鏡是將原子線度的極細(xì)探針和被研究物質(zhì)的表面作為兩個(gè)電極，當(dāng)樣品與針尖的距離非常接近時(shí)(通常小于1nm)，在外加電場(chǎng)的作用下，電子會(huì)穿過兩個(gè)電極之間的勢(shì)壘流向另一電極，形成隧道電流，其大小為：式中Vb是加在針尖和樣品之間的偏置電壓，S為樣品與針尖的距離，Φ是平均功函數(shù)，A為常數(shù)，在真空條件下約等于1．2、隧道電流STM的基本原理掃描隧道顯微鏡是將原子線度的80STM的基本原理由前式可知，隧道電流強(qiáng)度對(duì)針尖和樣品之間的距離有著指數(shù)的依賴關(guān)系，當(dāng)距離減小0.1nm，隧道電流即增加約一個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，根據(jù)隧道電流的變化，我們可以得到樣品表面微小的高低起伏變化的信息。STM的基本原理由前式可知，隧道電流強(qiáng)度對(duì)針81STM工作原理STM工作原理82STM的基本結(jié)構(gòu)STM儀器由具有減振系統(tǒng)的STM頭部(含探針和樣品臺(tái))、電子學(xué)控制系統(tǒng)和包括A/D多功能卡的計(jì)算機(jī)組成。整體結(jié)構(gòu)STM的基本結(jié)構(gòu)STM儀器由具有減振系統(tǒng)的83納米材料第二章納米材料的表征方法-課件84掃描隧道顯微鏡的核心部分掃描隧道顯微鏡的核心部分85STM的基本結(jié)構(gòu)針尖隧道針尖的結(jié)構(gòu)是掃描隧道顯微技術(shù)要解決的主要問題之一。針尖的大小、形狀和化學(xué)同一性不僅影響著掃描隧道顯微鏡圖象的分辨率和圖象的形狀，而且也影響著測(cè)定的電子態(tài)。目前制備針尖的方法主要有電化學(xué)腐蝕法(金屬鎢絲)、機(jī)械成型法(鉑-銥合金絲)等。鉑-銥合金絲金屬鎢絲重要部件STM的基本結(jié)構(gòu)針尖重要部件86STM的基本結(jié)構(gòu)壓電陶瓷

由于儀器中要控制針尖在樣品表面進(jìn)行高精度的掃描，用普通機(jī)械的控制是很難達(dá)到這一要求的。目前普遍使用壓電陶瓷材料作為x-y-z掃描控制器件。壓電陶瓷材料能以簡(jiǎn)單的方式將1mV-1000V的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成十幾分之一納米到幾微米的位移。

重要部件STM的基本結(jié)構(gòu)壓電陶瓷重要部件87STM的基本結(jié)構(gòu)三維掃描控制器

單管型掃描控制器：陶瓷管的外部電極分成面積相等的四份，內(nèi)壁為一整體電極，在其中一塊電極上施加電壓，管子的這一部分就會(huì)伸展或收縮。重要部件STM的基本結(jié)構(gòu)三維掃描控制器重要部件88STM的基本結(jié)構(gòu)減震系統(tǒng)

由于儀器工作時(shí)針尖與樣品的間距一般小于1nm，同時(shí)隧道電流與隧道間隙成指數(shù)關(guān)系，因此任何微小的震動(dòng)都會(huì)對(duì)儀器的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。必須隔絕的兩種類型的擾動(dòng)是震動(dòng)和沖擊，其中震動(dòng)隔絕是最主要的。

重要部件STM的基本結(jié)構(gòu)減震系統(tǒng)重要部件89STM的基本結(jié)構(gòu)電子學(xué)控制系統(tǒng)

掃描隧道顯微鏡要用計(jì)算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，使探針逼近樣品，進(jìn)入隧道區(qū)，而后要不斷采集隧道電流，在恒電流模式中還要將隧道電流與設(shè)定值相比較，再通過反饋系統(tǒng)控制探針的進(jìn)與退，從而保持隧道電流的穩(wěn)定。所有這些功能，都是通過電子學(xué)控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。重要部件STM的基本結(jié)構(gòu)電子學(xué)控制系統(tǒng)重要部件90STM的工作模式恒流模式利用壓電陶瓷控制針尖在樣品表面x-y方向掃描，而z方向的反饋回路控制隧道電流的恒定，當(dāng)樣品表面凸起時(shí)，針尖就會(huì)向后退，以保持隧道電流的值不變，這樣探針在垂直于樣品方向上高低的變化就反映出了樣品表面的起伏。STM的工作模式恒流模式91STM的工作模式恒高模式針尖的x-y方向仍起著掃描的作用，而z方向則保持絕對(duì)高度不變，由于針尖與樣品表面的相對(duì)高度會(huì)隨時(shí)發(fā)生變化，因而隧道電流的大小也會(huì)隨之明顯變化，通過記錄掃描過程中隧道電流的變化亦可得到表面態(tài)密度的分布。STM的工作模式恒高模式92STM的應(yīng)用STM作為新型的顯微工具與以往的各種顯微鏡和分析儀器相比有明顯的優(yōu)勢(shì)：首先，STM具有極高的分辨率。其次，STM得到的是實(shí)在的、真實(shí)的樣品表面的高分辨率圖像。另外，STM使用環(huán)境寬松；應(yīng)用領(lǐng)域?qū)拸V；價(jià)格相對(duì)于電子顯微鏡等大型儀器是較低的。STM的局限性：利用隧道電流研究表面電子結(jié)構(gòu)和形貌。必須保證有足夠的隧道電流。因此，無(wú)法用來(lái)觀測(cè)絕緣體或者有厚表面氧化層的樣品。STM的應(yīng)用STM作為新型的顯微工具與以往的各種顯微鏡和分析93成像方式：通過用隧道電流檢測(cè)力敏元件的位移來(lái)實(shí)現(xiàn)力敏元件探針尖端原子與表面原子之間的排斥力的檢測(cè)，進(jìn)而得到表面形貌像。(2)原子力顯微鏡(AtomicForceMicroscopy,AFM)納米材料

Nanomaterials成像方式：通過用隧道電流檢測(cè)力敏元件的位移來(lái)實(shí)現(xiàn)力敏94AFM的工作原理

在原子力顯微鏡（AFM）的系統(tǒng)中，使用微小懸臂來(lái)感測(cè)針尖與樣品之間的交互作用，這作用力會(huì)使懸臂擺動(dòng)。利用激光將光照射在懸臂的末端，當(dāng)擺動(dòng)形成時(shí)，會(huì)使反射光的位置改變而造成偏移量，此時(shí)激光檢測(cè)器會(huì)記錄此偏移量，把此時(shí)的信號(hào)給反饋系統(tǒng)。最后再將樣品的表面特性以影像的方式給呈現(xiàn)出來(lái)。納米材料

NanomaterialsAFM的工作原理在原子力顯微鏡（AFM）的系統(tǒng)中，95抬起模式AFM的基本原理抬起模式AFM的基本原理96工作原理恒力模式：保持作用力（即微懸臂的形變）不變，記錄針尖上下運(yùn)動(dòng)軌跡，即獲得表面形貌。使用最廣泛。恒高模式：保持高度不變，直接測(cè)量微懸臂的形變量。限制：對(duì)樣品表面要求很高。工作原理恒力模式：保持作用力（即微懸臂的形變）不變，記錄針尖97原子級(jí)的高分辨率AFM的三大特點(diǎn)

光學(xué)顯微鏡的放大倍數(shù)一般都超不過1000倍;電子顯微鏡放大倍數(shù)極限為100萬(wàn)倍;而AFM的放大倍數(shù)高達(dá)10億倍。樣品預(yù)處理簡(jiǎn)單在大氣條件或溶液中都能進(jìn)行,因而只需很少或不需對(duì)樣品作前期處理。加工樣品的力行為測(cè)試樣品的硬度和彈性等;AFM還能產(chǎn)生和測(cè)量電化學(xué)反應(yīng)。AFM還具有對(duì)標(biāo)本的分子或原子進(jìn)行加工的力行為,例如:可搬移原子，切割染色體，在細(xì)胞膜上打孔等等。納米材料

Nanomaterials原子級(jí)的高分辨率AFM的三大特點(diǎn)光學(xué)顯微鏡的放大98原子力顯微鏡AFM的優(yōu)缺點(diǎn)相對(duì)于掃描電子顯微鏡，原子力顯微鏡具有許多優(yōu)點(diǎn)。不同于電子顯微鏡只能提供二維圖像，AFM提供真正的三維表面圖。同時(shí)，AFM不需要對(duì)樣品的任何特殊處理，如鍍銅或碳，這種處理對(duì)樣品會(huì)造成不可逆轉(zhuǎn)的傷害。第三，電子顯微鏡需要運(yùn)行在高真空條件下，原子力顯微鏡在常壓下甚至在液體環(huán)境下都可以良好工作。這樣可以用來(lái)研究生物宏觀分子，甚至活的生物組織。和掃描電子顯微鏡(SEM)相比，AFM的缺點(diǎn)在于成像范圍太小，速度慢，受探頭的影響太大。原子力顯微鏡AFM的優(yōu)缺點(diǎn)相對(duì)于掃描電子顯微鏡，原子力顯微鏡99Fig.2.Three-dimensionalTM-AFMimagesofthePVDFmembranes(W0,W3,W5,W7).AFM應(yīng)用：薄膜分析納米材料

NanomaterialsFig.2.Three-dimensionalTM-A100

X射線衍射結(jié)構(gòu)分析（X-raydiffraction，XRD）XRD物相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。直接和精確測(cè)定分子和晶體結(jié)構(gòu)的方法靈敏度較低，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)。XRD物相分析所需樣品量大（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。納米材料

Nanomaterials三.衍射技術(shù)X射線衍射結(jié)構(gòu)分析（X-raydiffraction，X101X-raydiffraction（XRD）三.衍射技術(shù)納米材料

NanomaterialsX-raydiffraction（XRD）三.衍射技術(shù)納10210 10 10 10 10 10 10 10X射線衍射可見和拉曼光譜97531-1-3-5Wavenumbers能量增加紫外可見近紅外遠(yuǎn)紅外微波順磁共振無(wú)線電波Wavelengthinmicrons核轉(zhuǎn)變電子躍遷分子振動(dòng)10 10 10 10 10 10 10 10躍遷-5-3-113579轉(zhuǎn)動(dòng)電磁光譜核磁共振紅外光譜紫外紫外紫外和拉曼光譜X射線10 10 10 103物質(zhì)的結(jié)構(gòu)分析測(cè)定物質(zhì)結(jié)構(gòu)的本質(zhì)某種波，如微波、紅外光、X射線；或某種粒子,如光子、電子、中子等試樣改變?cè)嚇又性踊蚍肿拥暮嘶螂娮拥哪撤N能態(tài)試樣中原子解離或電子電離入射波（粒子）的散射、衍射或吸收產(chǎn)生與入射波長(zhǎng)不同的波或粒子得到物質(zhì)結(jié)構(gòu)的信息物質(zhì)的結(jié)構(gòu)分析測(cè)定物質(zhì)結(jié)構(gòu)的本質(zhì)某種波，如微波、紅外光、X104X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線的產(chǎn)生德國(guó)科學(xué)家倫琴，1895年使相片底片感光，并有很強(qiáng)的穿透力X射線的應(yīng)用科學(xué)研究(XRD)醫(yī)療（透視）技術(shù)工程(無(wú)損探傷)X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線的產(chǎn)生105多晶粉末衍射分析

multiplecrystalpowderdiffractionanalysis在入射X光的作用下，原子中的電子構(gòu)成多個(gè)X輻射源，以球面波向空間發(fā)射形成干涉光；強(qiáng)度與原子類型、晶胞內(nèi)原子位置有關(guān)；衍射圖：晶體化合物的“指紋”；多晶粉末衍射法：測(cè)定晶體的結(jié)構(gòu)；單色X射線源樣品臺(tái)檢測(cè)器多晶粉末衍射分析

multiplecrystalpow106X射線衍射方程晶體的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)是一致互相平行且等距離的原子平面衍射的基礎(chǔ)——晶體的周期性和對(duì)稱性衍射光束服從反射定律反射光線在入射平面中，反射角等于入射角則這組晶面所反射的X射線，只有當(dāng)其光程差是X射線波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)才相互增強(qiáng)，出現(xiàn)衍射2dsinθ＝nλX射線衍射方程晶體的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)是一致互相平行且等距離的原子平面1072dsinθ＝nλ光程差BD＋BF＝2dhklsinθ＝nλ;只有當(dāng)d、θ和λ滿足布拉格方程式時(shí)才能發(fā)生衍射。d:面間距；θ：入射線（反射線）與晶面的夾角；λ：入射光的波長(zhǎng)，Cu靶：λkα1=1.54060,λkα2=1.54443；n：整數(shù)，反射的級(jí)數(shù)

晶面組2dsinθ＝nλ光程差BD＋BF＝2dhklsin108X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線物理學(xué)基礎(chǔ)109布拉格方程的討論反射≠衍射鏡面可以任意角度反射可見光X射線只有滿足布拉格方程的角上才能發(fā)生反射，因此，這種反射亦稱為選擇反射。晶面間距d,掠射角，反射級(jí)數(shù)n,和X射線的波長(zhǎng)λ四個(gè)量，已知三個(gè)量，就可以求出其余一個(gè)量。布拉格方程的討論反射≠衍射110應(yīng)用已知波長(zhǎng)的X射線，測(cè)量未知的晶體的面間距，進(jìn)而算出其晶胞參數(shù)結(jié)構(gòu)分析（XRD）已知

，測(cè)

角，計(jì)算d；根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)卡片，判斷其物相（晶體結(jié)構(gòu)）根據(jù)d=f(h,k,l,a,b,c,α,β,γ,)可計(jì)算晶胞參數(shù)已知面間距的晶體來(lái)反射從樣品發(fā)射出來(lái)的X射線，求得X射線的波長(zhǎng)，確定試樣的組成元素X射線能量色散譜儀(EDS,EDAX)已知d的晶體（單晶硅），測(cè)

角，得到特征輻射波長(zhǎng)

，確定元素，特征X射線分析的基礎(chǔ)應(yīng)用已知波長(zhǎng)的X射線，測(cè)量未知的晶體的面間距，進(jìn)而算出其晶胞111X射線衍射(單晶或多晶)晶體與x射線所產(chǎn)生的衍射作用衍射斑點(diǎn)或譜圖分析晶體結(jié)構(gòu)確定晶體所屬的晶系（物相鑒定）、晶體的晶胞參數(shù)、晶粒尺寸的大小、結(jié)晶度、薄膜的厚度和應(yīng)力分布等X射線衍射(單晶或多晶)晶體與x射線所產(chǎn)生的衍射作用112X射線衍射實(shí)際的衍射譜上并非只在符合Bragg方程的2

處出現(xiàn)強(qiáng)度，在2的附近也有一定的衍射強(qiáng)度分布，成峰狀，也叫衍射峰。符合Bragg方程的2

處為峰頂?？梢愿鶕?jù)峰的位置、數(shù)目和強(qiáng)度得到試樣的結(jié)構(gòu)信息。X射線衍射實(shí)際的衍射譜上并非只在符合Bragg方程的2處出113X射線衍射可以得到的信息物相鑒定定性定量晶胞參數(shù)的確定晶面的擇優(yōu)取向生長(zhǎng)結(jié)晶度的測(cè)定晶粒尺寸的測(cè)定（謝樂公式）膜厚的測(cè)定薄膜的應(yīng)力分布X射線衍射可以得到的信息物相鑒定114物相分析X射線衍射鑒別樣品中的物相石墨和金剛石Al2O3有近20種結(jié)構(gòu)

試樣的元素組成化學(xué)分析、光譜分析（AAS）、X射線光電子能譜（XPX）、俄歇電子（AES）、二次電子能譜（SIMS）、X射線能譜儀（EDS）等物相分析X射線衍射鑒別樣品中的物相試樣的元素組成化學(xué)分析、光115樣品制備樣品的顆粒度對(duì)X射線的衍射強(qiáng)度以及重現(xiàn)性有很大的影響。一般樣品的顆粒越大，則參與衍射的晶粒數(shù)就越少，并還會(huì)產(chǎn)生初級(jí)消光效應(yīng)，使得強(qiáng)度的重現(xiàn)性較差。要求粉體樣品的顆粒度大小在0.1～10μm范圍。此外，當(dāng)吸收系數(shù)大的樣品，參加衍射的晶粒數(shù)減少，也會(huì)使重現(xiàn)性變差。因此在選擇參比物質(zhì)時(shí)，盡可能選擇結(jié)晶完好，晶粒小于5μm，吸收系數(shù)小的樣品。一般可以采用壓片，膠帶粘以及石蠟分散的方法進(jìn)行制樣。由于X射線的吸收與其質(zhì)量密度有關(guān)，因此要求樣品制備均勻，否則會(huì)嚴(yán)重影響定量結(jié)果的重現(xiàn)性。樣品制備樣品的顆粒度對(duì)X射線的衍射強(qiáng)度以及重現(xiàn)性有很大的影響116晶粒大小的測(cè)定原理用XRD測(cè)量納米材料晶粒大小的原理是基于衍射線的寬度與材料晶粒大小有關(guān)這一現(xiàn)象。利用XRD測(cè)定晶粒度的大小是有一定的限制條件的，一般當(dāng)晶粒大于100nm以上，其衍射峰的寬度隨晶粒大小的變化就不敏感了；而當(dāng)晶粒小于10nm時(shí)，其衍射峰隨晶粒尺寸的變小而顯著寬化；試樣中晶粒大小可采用Scherrer公式進(jìn)行計(jì)算，適用范圍：5-300nm晶粒大小的測(cè)定原理用XRD測(cè)量納米材料晶粒大小的原理是基于117

是入射X射線的波長(zhǎng)

是衍射hkl的布拉格角

hkl是衍射hkl的半峰寬，單位為弧度。使用Scherror公式測(cè)定晶粒度大小的適用范圍是5nm

300nm。是入射X射線的波長(zhǎng)118小角X射線衍射測(cè)定介孔結(jié)構(gòu)小角度的X射線衍射峰可以用來(lái)研究納米介孔材料的介孔結(jié)構(gòu)。這是目前測(cè)定納米介孔材料結(jié)構(gòu)最有效的方法之一。由于介孔材料可以形成很規(guī)整的孔，所以可以把它看做周期性結(jié)構(gòu)，樣品在小角區(qū)的衍射峰反映了孔洞周期的大小。對(duì)于孔排列不規(guī)整的介孔材料，此方法不能獲得其孔經(jīng)周期的信息。小角X射線衍射測(cè)定介孔結(jié)構(gòu)小角度的X射線衍射峰可以用來(lái)研究119多層膜的研究在納米多層膜材料中，兩薄膜層材料反復(fù)重疊，形成調(diào)制界面。當(dāng)X射線入射時(shí)，周期良好的調(diào)制界面會(huì)與平行于薄膜表面的晶面一樣，在滿足布拉格方程時(shí)，產(chǎn)生相干衍射。由于多層膜的調(diào)制周期比一般金屬和小分子化合物的最大晶面間距大得多，所以只有小周期多層膜調(diào)制界面產(chǎn)生的X射線衍射峰可以在小角度區(qū)域中觀察到。對(duì)制備良好的小周期納米多層膜可以用小角度XRD方法測(cè)定其調(diào)制周期。多層膜的研究在納米多層膜材料中，兩薄膜層材料反復(fù)重疊，形成調(diào)120物質(zhì)狀態(tài)的鑒別不同的物質(zhì)狀態(tài)對(duì)X射線的衍射作用是不相同的，因此可以利用X射線衍射譜來(lái)區(qū)別晶態(tài)和非晶態(tài)。不同材料狀態(tài)以及相應(yīng)的XRD譜示意圖

物質(zhì)狀態(tài)的鑒別不同的物質(zhì)狀態(tài)對(duì)X射線的衍射作用是不相同的，121納米材料研究中的XRD分析TiO2納米材料晶粒大小測(cè)定對(duì)于TiO2納米粉體，衍射峰2θ為21.5°，為101晶面。當(dāng)采用CuKα，波長(zhǎng)為0.154nm，衍射角的2θ為25.30°，半高寬為0.375°，一般Sherrer常數(shù)取0.89。根據(jù)Scherrer公式，可以計(jì)算獲得晶粒的尺寸。D101＝Kλ/B1/2cosθ＝0.89×0.154×57.3、（0.375×0.976）＝21.5nm。納米材料研究中的XRD分析TiO2納米材料晶粒大小測(cè)定對(duì)于1222.電子衍射(ERD)及結(jié)構(gòu)分析

電子衍射與X射線衍射的基本原理是完全一樣的，兩種技術(shù)所得到的晶體衍射花樣在幾何特征上也大致相似，電子衍射與X射線衍射相比的突出特點(diǎn)為：（1）在同一試樣上把物相的形貌觀察與結(jié)構(gòu)分析結(jié)合起來(lái)；（2）物質(zhì)對(duì)電子的散射更強(qiáng)，約為X射線的一百萬(wàn)倍，特別適用于微晶、表面和薄膜的晶體結(jié)構(gòu)的研究，且衍射強(qiáng)度大，所需時(shí)間短，只需幾秒鐘。納米材料

Nanomaterials2.電子衍射(ERD)及結(jié)構(gòu)分析電子衍射與X射線123電子衍射的應(yīng)用確定物相晶體缺陷狀態(tài)單晶體，多晶體，無(wú)定形納米材料

Nanomaterials電子衍射的應(yīng)用確定物相納米材料

Nanomaterial124單晶電子衍射譜圖衍射斑點(diǎn)納米材料

Nanomaterials單晶電子衍射譜圖衍射斑點(diǎn)納米材料

Nanomateria125四.能譜技術(shù)能量分散譜儀(EDS)俄歇電子能譜(AES）X射線光電子能譜(XPS)1.能量分散譜儀(EDS)能譜儀全稱為能量分散譜儀．目前已成為掃描電鏡或透射電鏡普遍應(yīng)用的附件。能譜儀是利用X光子的能量不同來(lái)進(jìn)行元素區(qū)分。納米材料

Nanomaterials四.能譜技術(shù)能量分散譜儀(EDS)納米材料

Nanom126Si(Li)X射線能譜儀結(jié)構(gòu)圖

納米材料

NanomaterialsSi(Li)X射線能譜儀結(jié)構(gòu)圖納米材料

Nanomat127能譜儀的優(yōu)點(diǎn)：(1)分析速度快.

能譜儀可以同時(shí)接受和檢測(cè)所有不同能量的X射線光子信號(hào)，故可在幾分鐘內(nèi)分析和確定樣品中含有的所有元素，20世紀(jì)80年代推向市場(chǎng),探測(cè)元素的范圍為4Be~92U。(2)靈敏度高

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由于能譜儀中Si(Li)探頭可以放在離發(fā)射源很近的地方(10㎝左右)，無(wú)需經(jīng)過晶體衍射，信號(hào)強(qiáng)度幾乎沒有損失，所以靈敏度高.(3)譜線重復(fù)