大学纳米材料的测试与表征课件讲义
合集下载
纳米材料检测与表征讲座
② 要选择合适的支持膜。对于粉末样品，由于被观察 的纳米颗粒不可能直接用铜网承载置于电镜中进行观察。因 此需要在铜网上预先粘附一层连续的、厚度约20nm的支持膜， 用滴管将含有纳米粉粒的悬浮液滴在这种粘附有支持膜的铜 网上，静置干燥后供观察使用。
（4）激光散射法 用于测试纳米粒子的粒径大小、粒径分布等。
■ 纳米颗粒表面(形貌)分析
为在纳米尺度上研究材料和器件的结构及性能，发现新 现象，发展新方法，创造新技术，必须建立纳米尺度的检测 与表征手段。这包括在纳米尺度上原位研究各种纳米结构的 电、力、磁、光学特性，纳米空间的化学反应过程，物理传 输过程，以及研究原子或分子的排列、组装与奇特物性的关 系。扫描探针显微镜(SPM)的出现，标志着人类在对微观尺 度的探索方面进入到一个全新的领域。作为纳米科技重要研 究手段的SPM也被形象地称为纳米科技的“眼”和“手”。
包埋法制样
首先把纳米材料试样单层地放置在一片抛光的金属片 上，然后用离子沉积的方法使纳米材料无扰动地包埋在金 属中。从金属片的两面进行磨抛，直至从两面均能观察到 纳米材料试样，即从纳米材料试样中切取了一片微米尺度 的薄膜。最后用离子减薄仪把薄膜减薄到电子束可以穿透 的纳米尺度。切取薄膜过程中应避免使用酸、碱和高温， 必要时避免使用水或水溶液，以保持试样的原组织。
所谓“眼睛”，即可利用SPM直接观察原子、 分子以及纳米粒子的相互作用与特性。
所谓“手”，是指SPM可用于移动原子、构 造纳米结构，同时为科学家提供在纳米尺度下研究 新现象、提出新理论的微小实验室
同时，与纳米材料的制备过程相结合，以及与 纳米器件性能检测相结合的多种新型纳米检测技术 的研究和开发也受到广泛重视。如激光镊子技术可 用于操纵单个生物大分子。
19世纪30年代后期所发 明，它使人类“看”到了致 病的细菌、微生物和微米级 的微小物体，对社会的发展 起了巨大的促进作用，至今 仍是主要的显微工具 。
（4）激光散射法 用于测试纳米粒子的粒径大小、粒径分布等。
■ 纳米颗粒表面(形貌)分析
为在纳米尺度上研究材料和器件的结构及性能，发现新 现象，发展新方法，创造新技术，必须建立纳米尺度的检测 与表征手段。这包括在纳米尺度上原位研究各种纳米结构的 电、力、磁、光学特性，纳米空间的化学反应过程，物理传 输过程，以及研究原子或分子的排列、组装与奇特物性的关 系。扫描探针显微镜(SPM)的出现，标志着人类在对微观尺 度的探索方面进入到一个全新的领域。作为纳米科技重要研 究手段的SPM也被形象地称为纳米科技的“眼”和“手”。
包埋法制样
首先把纳米材料试样单层地放置在一片抛光的金属片 上，然后用离子沉积的方法使纳米材料无扰动地包埋在金 属中。从金属片的两面进行磨抛，直至从两面均能观察到 纳米材料试样，即从纳米材料试样中切取了一片微米尺度 的薄膜。最后用离子减薄仪把薄膜减薄到电子束可以穿透 的纳米尺度。切取薄膜过程中应避免使用酸、碱和高温， 必要时避免使用水或水溶液，以保持试样的原组织。
所谓“眼睛”，即可利用SPM直接观察原子、 分子以及纳米粒子的相互作用与特性。
所谓“手”，是指SPM可用于移动原子、构 造纳米结构，同时为科学家提供在纳米尺度下研究 新现象、提出新理论的微小实验室
同时，与纳米材料的制备过程相结合，以及与 纳米器件性能检测相结合的多种新型纳米检测技术 的研究和开发也受到广泛重视。如激光镊子技术可 用于操纵单个生物大分子。
19世纪30年代后期所发 明，它使人类“看”到了致 病的细菌、微生物和微米级 的微小物体，对社会的发展 起了巨大的促进作用，至今 仍是主要的显微工具 。
6.纳米材料的测试与表征资料
C,e： β 氮化硅的模拟像和原 子排列
D,f ：α氮化硅的结构像模拟 像和原子排列
2018/11/1
24
STM&AFM形貌分析
扫描隧道显微镜主要针对一些特殊导电固体样品的形貌分析。 可以达到原子量级的分辨率，但仅适合具有导电性的薄膜材料 的形貌分析和表面原子结构分布分析，对纳米粉体材料不能分 析。 扫描原子力显微镜可以对纳米薄膜进行形貌分析，分辨率可以 达到几十纳米，比STM差，但适合导体和非导体样品，不适合 纳米粉体的形貌分析。 这四种形貌分析方法各有特点，电镜分析具有更多的优势，但 STM和AFM具有可以气氛下进行原位形貌分析的特点。
扫描隧道显微镜的基本原理是 基于量子的隧道效应。 将原子线度的极细针尖和被研 究物质的表面作为两个电极， 当样品与针尖的距离非常接近 时（通常小于0.1nm），在外 加电场的作用下，电子会穿过 两 个电极之间的绝缘层流向另 一个电极，这种现象称为隧道 效应。 隧道电流强度对针尖与样品表 面之间的距离非常敏感，如果 距离小于0.1nm，电流将增加 一个数量级。
2018/11/1
25
2018/11/1
26
扫描探针显微镜
控制探针在被检测样品的表面进行扫描，同 时记录下扫描过程中探针尖端和样品表面的 相互作用，就能得到样品表面的相关信息。 利用这种方法得到被测样品表面信息的分辨 率取决于控制扫描的定位精度和探针作用尖 端的大小（即探针的尖锐度）。
2018/11/1
Graphics Graphics
Display Monitor Control Monitor
Piezoelectric heads sample movements
D,f ：α氮化硅的结构像模拟 像和原子排列
2018/11/1
24
STM&AFM形貌分析
扫描隧道显微镜主要针对一些特殊导电固体样品的形貌分析。 可以达到原子量级的分辨率，但仅适合具有导电性的薄膜材料 的形貌分析和表面原子结构分布分析，对纳米粉体材料不能分 析。 扫描原子力显微镜可以对纳米薄膜进行形貌分析，分辨率可以 达到几十纳米，比STM差，但适合导体和非导体样品，不适合 纳米粉体的形貌分析。 这四种形貌分析方法各有特点，电镜分析具有更多的优势，但 STM和AFM具有可以气氛下进行原位形貌分析的特点。
扫描隧道显微镜的基本原理是 基于量子的隧道效应。 将原子线度的极细针尖和被研 究物质的表面作为两个电极， 当样品与针尖的距离非常接近 时（通常小于0.1nm），在外 加电场的作用下，电子会穿过 两 个电极之间的绝缘层流向另 一个电极，这种现象称为隧道 效应。 隧道电流强度对针尖与样品表 面之间的距离非常敏感，如果 距离小于0.1nm，电流将增加 一个数量级。
2018/11/1
25
2018/11/1
26
扫描探针显微镜
控制探针在被检测样品的表面进行扫描，同 时记录下扫描过程中探针尖端和样品表面的 相互作用，就能得到样品表面的相关信息。 利用这种方法得到被测样品表面信息的分辨 率取决于控制扫描的定位精度和探针作用尖 端的大小（即探针的尖锐度）。
2018/11/1
Graphics Graphics
Display Monitor Control Monitor
Piezoelectric heads sample movements
第九章 纳米测量与表征
(2)原子力显微镜
• 原子力显微镜则是通过原子 之间非常微弱的相互作用力 来检测样品表面的。 • 和手摸盲文的感觉差不多。 • 这个检测方法的最大特点是 不要求样品具有导电性。 • 它在纳米级上对于测量原子 和分子间的相互作用有很大 的帮助。
原子力显微镜原理
假设两个原子中，一个是在悬臂（cantilever）的探针尖端，另一个是在样 本的表面，它们之间的作用力会随距离的改变而变化。当原子与原子很接近时， 彼此电子云斥力的作用大于原子核与电子云之间的吸引力作用，所以整个合力表 现为斥力的作用，反之若两原子分开有一定距离时，其电子云斥力的作用小于彼 此原子核与电子云之间的吸引力作用，故整个合力表现为引力的作用。
•
透射电镜能精确 读出0.1nm的原 子，因而能判别 出纳米材料
用透射电镜可观察纳米粒子平均直径或粒径的分布． 是一种颗粒度观察测定的绝对方法，因而具有可 靠性和直观性． 实验过程： 首先将纳米粉制成的悬浮液滴在带有碳膜的电镜用 Cu网上，待悬浮液中的载液(例如乙醇)挥发后。 放入电镜样品台，尽量多拍摄有代表性的电镜像， 然后由这些照片来测量粒径。
•
• 如果仅仅在纸上画图，你自然能够“制造”出任 意放大倍数的显微镜。但是光的波动性将毁掉你 完美的发明。即使消除掉透镜形状的缺陷，任何 光学仪器仍然无法完美的成像。 • 光在通过显微镜的时候要发生衍射——简单的说， 物体上的一个点在成像的时候不会是一个点，而 是一个衍射光斑。如果两个衍射光斑靠得太近， 你就没法把它们分辨开来。显微镜的放大倍数再 高也无济于事了。对于使用可见光作为光源的显 微镜，它的分辨率极限是0.2微米。任何小于0.2微 米的结构都没法识别出来。
STM基本原理
扫描隧道显微镜利用量子 理论中的隧道效应,控制隧道 电流或针尖样品距离的恒定 而使探针随表面起伏运动， 从而描绘出表面态密度的分 布或原子排列的图像，STM 只能直接观察导体和半导体 的表面结构。
纳米材料的表征与测试2
See ICSD 6287 (PDF 01-070-2144); See ICSD 62040 (PDF 01-078-0910).
这是一张PDF卡片，矿 相是水泥（C12A7）
d(A)(晶面间距) I(f)（衍射峰强度） I(v) （积分强度） h k l（晶面指数） n^2 （晶面指数平方和） 2-Theta（2θ角）
d 6 / SW
式中，ρ为密度，d为比表面积直径；SW的一般测量方法为BET 多层气体吸附法．BET法是固体比表面测定时常用的方法．
BET 比表面积的测定范围约为0.1-1000m2／g，以ZrO2粉料为例，颗粒尺 寸测定范围为lnm～l0μm．
2 比表面积法
BET方程为：
式中，V为被吸附气体的体积；Vm为单分子层吸附气 体的体积；K为一与温度、吸附热和催化热有关的常数 。 P为气体压力；P0为饱和蒸汽压； 令 Vm
这说明制备的粒子是纳米级晶粒。(2分)
可根据谢乐公式计算粒子尺寸。 d =0.89*λ/Bcosθ
或 d =0.89*λ/（B-B0）cosθ
计算半峰宽要使用弧度，2θ转化为θ。 0.386 o ---------0.00674 0.451 o --------0.00787 计算晶粒粒径时要求2θ，小于50 o。
注意的问题
测得的颗粒粒径是团聚体的粒径。 在制备超微粒子的电镜观察样品时，首先需用超声波分散法， 使超微粉分散在载液中，有时候很难使它们全部分散成一次颗粒， 特别是纳米粒子很难分散，结果在样品 Cu网上往往存在一些团 聚体，在观察时容易把团聚体误认为是一次颗粒。
测量结果缺乏统计性
这是因为电镜观察用的粉体是极少的，这就有可能导致观察到 的粉体的粒子分布范围并不代表整体粉体的粒径范围。
纳米材料的测试与表征ppt课件
AFM的像
三、纳米资料的构造分析
• 不仅纳米资料的成份和形貌对其性能有重 要影响，纳米资料的物相构造和晶体构造 对资料的性能也有着重要的作用。
• 目前，常用的物相分析方法有X射线衍射分 析、激光拉曼分析以及微区电子衍射分析。
X射线衍射构造分析
• XRD 物相分析是基于多晶样品对X射线的衍射效应，对样 品中各组分的存在形状进展分析。测定结晶情况，晶相， 晶体构造及成键形状等等。 可以确定各种晶态组分的构 造和含量
纳米资料成份分析种类
光谱分析 主要包括火焰和电热原子吸收光谱AAS， 电感耦合等离 子体原子发射光谱ICP-OES， X-射线荧光光谱XFS 和X射线衍射光谱分析法XRD；
质谱分析 主要包括电感耦合等离子体质谱ICP-MS 和飞行时间二次 离子质谱法TOF-SIMS
能谱分析 主要包括X 射线光电子能谱XPS 和俄歇电子能谱法AES
光散射法粒度分析
• 丈量范围广,如今最先进的激光光散射粒度 测试仪可以丈量1nm～3000μｍ,根本满足 了超细粉体技术的要求
• 测定速度快,自动化程度高,操作简单，普通 只需1～1.5min
• 丈量准确,重现性好 • 可以获得粒度分布
激光相关光谱粒度分析法
• 经过光子相关光谱〔PCS〕法，可以丈量粒子的 迁移速率。而液体中的纳米颗粒以布朗运动为主， 其运动速度取决于粒径，温度和粘度等要素。在 恒定的温度和粘度条件下，经过光子相关光谱 〔PCS〕法测定颗粒的迁移速率就可以获得相应 的颗粒粒度分布
• 几个纳米到几十微米的薄膜厚度测定
外表与微区成份分析
• X射线光电子能谱 • 俄歇电子能谱 • 二次离子质谱 • 电子探针分析方法 • 电镜的能谱分析 • 电镜的电子能量损失谱分析
纳米材料的测试与表征精品PPT课件
• 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。
Advaced Energy Material Lab
6
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
同位素分析；
Advaced Energy Material Lab
13
X-射线荧光光谱分析法
• 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；
• X 射线荧光光谱仪有两种基本类型波长色散型和 能量色散型；
• 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。
Advaced Energy Material Lab
15
电子探针分析方法
Advaced Energy Material Lab
12
电感耦合等离子体质谱法
• ICP-MS 是利用电感耦合等离子体作为离子源的 一种元素质谱分析方法；该离子源产生的样品离 子经质谱的质量分析器和检测器后得到质谱；
• 检出限低（多数元素检出限为ppb-ppt级） • 线性范围宽（可达7个数量级） • 分析速度快（1分钟可获得70种元素的结果） • 谱图干扰少（原子量相差1可以分离），能进行
谱法TOF-SIMS
能谱分析 主要包括X 射线光电子能谱XPS 和俄歇电子能谱法AES
Advaced Energy Material Lab
9
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ICP， 质谱以及X 射线 荧光与衍射分析方法；
Advaced Energy Material Lab
6
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
同位素分析；
Advaced Energy Material Lab
13
X-射线荧光光谱分析法
• 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；
• X 射线荧光光谱仪有两种基本类型波长色散型和 能量色散型；
• 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。
Advaced Energy Material Lab
15
电子探针分析方法
Advaced Energy Material Lab
12
电感耦合等离子体质谱法
• ICP-MS 是利用电感耦合等离子体作为离子源的 一种元素质谱分析方法；该离子源产生的样品离 子经质谱的质量分析器和检测器后得到质谱；
• 检出限低（多数元素检出限为ppb-ppt级） • 线性范围宽（可达7个数量级） • 分析速度快（1分钟可获得70种元素的结果） • 谱图干扰少（原子量相差1可以分离），能进行
谱法TOF-SIMS
能谱分析 主要包括X 射线光电子能谱XPS 和俄歇电子能谱法AES
Advaced Energy Material Lab
9
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ICP， 质谱以及X 射线 荧光与衍射分析方法；
纳米材料的表征方法ppt课件
3
透射电子显微镜（TEM）的主要功能
研究纳米材料的 结晶情况，
观察纳米材料的 形貌，
分散情况 评估纳米粒子的
粒径。
4
扫描电子显微镜(SEM)
SEM是一种多功能的电子显微镜分析仪器. 1935年卡奴提出了SEM的工作原理 1942年制造出了世界上第一台SEM 现代的SEM是剑桥大学欧特利与学生在1948-
对表面进行纳米加工,构建新一代的纳米电子器件.
8
STM的优点
它有原子量级的极高分辨率(横向可达0.1nm，纵向可达 0.01nm),即能直接观察到单原子层表面的局部结构 。 比如表 面缺陷、表面吸附体的形态和位置等.
STM能够给出表面的三维图像 STM可在不同的环境条件下工作,包括真空、大气、低温,甚至
纳米材料的表征方法
向利
1
纳米材料的表征
表征技术是指物质结构与性质及其应用的有关分析、 测试方法，也包括测试、测量工具的研究与制造。
表征的内容包括材料的组成、结构和性质等。 组成：构成材料的化学元素及其相关关系 结构：材料的几何学、相组成和相形态等 性质：指材料的力学、热学、磁学、化学等
2
纳米材料表征手段
1.形貌，电子显微镜（TEM、SEM）,普通的是电子枪 发射光电子，还有场发射的，分辨率和适应性更好；
2.结构，一般是需要光电电子显微镜，扫描电子显 微镜不行
3.晶形，单晶衍射仪，XRD，判断纳米粒子的晶形及 结晶度
4.组成，一般是红外，结合四大谱图，判断核壳组பைடு நூலகம்成，只作为佐证
5.性能，光-紫外，荧光；电--原子力显微镜 （AFM），拉曼；磁--原子力显微镜或者专用的仪器
样品可浸在水中或电解液中,所以适用于研究环境因素对样品表 面的影响. 可研究纳米薄膜的分子结构.
透射电子显微镜（TEM）的主要功能
研究纳米材料的 结晶情况，
观察纳米材料的 形貌，
分散情况 评估纳米粒子的
粒径。
4
扫描电子显微镜(SEM)
SEM是一种多功能的电子显微镜分析仪器. 1935年卡奴提出了SEM的工作原理 1942年制造出了世界上第一台SEM 现代的SEM是剑桥大学欧特利与学生在1948-
对表面进行纳米加工,构建新一代的纳米电子器件.
8
STM的优点
它有原子量级的极高分辨率(横向可达0.1nm，纵向可达 0.01nm),即能直接观察到单原子层表面的局部结构 。 比如表 面缺陷、表面吸附体的形态和位置等.
STM能够给出表面的三维图像 STM可在不同的环境条件下工作,包括真空、大气、低温,甚至
纳米材料的表征方法
向利
1
纳米材料的表征
表征技术是指物质结构与性质及其应用的有关分析、 测试方法，也包括测试、测量工具的研究与制造。
表征的内容包括材料的组成、结构和性质等。 组成：构成材料的化学元素及其相关关系 结构：材料的几何学、相组成和相形态等 性质：指材料的力学、热学、磁学、化学等
2
纳米材料表征手段
1.形貌，电子显微镜（TEM、SEM）,普通的是电子枪 发射光电子，还有场发射的，分辨率和适应性更好；
2.结构，一般是需要光电电子显微镜，扫描电子显 微镜不行
3.晶形，单晶衍射仪，XRD，判断纳米粒子的晶形及 结晶度
4.组成，一般是红外，结合四大谱图，判断核壳组பைடு நூலகம்成，只作为佐证
5.性能，光-紫外，荧光；电--原子力显微镜 （AFM），拉曼；磁--原子力显微镜或者专用的仪器
样品可浸在水中或电解液中,所以适用于研究环境因素对样品表 面的影响. 可研究纳米薄膜的分子结构.
纳米材料的制备、表征及其应用ppt课件
一般的粉碎作用力 都是几种力的组合，大 物块被粉碎成纳米级颗 粒。
几种典型的粉碎技术： 球磨、振动球磨、振动 磨、搅拌磨、胶体磨、 纳米气流粉碎气流磨
.
24
物理方பைடு நூலகம்－构筑法
构筑法是由小极限原子或分子的集合体人工合成超微粒子
.
25
物理构筑－流动液面上真空蒸度法
.
26
.
***2*7
化学合成方法
化学法主要是“自下而上”的方法，即是通过适当 的化学反应（化学反应中物质之间的原子必然进行组排， 这种过程决定物质的存在状态），包括液相、气相和固 相反应，从分子、原子出发制备纳米颗粒物质。化学法 包括气相反应法和液相反应法。
.
21
纳
粉碎法
干式粉碎 湿式粉碎
米
物理法
粒
子
纳
制
米
备
粒
方
子
构筑法
气体冷凝法 溅射法
氢电弧等离子体法
气相分解法
气相反应法 气相合成法
气－固反应法
法
制
共沉淀法
分 类
备 化学法
沉淀法 均相沉淀法
方 法
水热法 水解沉淀法
液相反应法 溶胶－凝胶法
冷冻干燥法
喷雾法
其它方法(如. 球磨法)
22
气相分解法
化学气相反应法气相合成法
(Science----1. February 2002)
18
Nano rings
JACS. 2005
19
Nano-flowers
中科院物理所先进材料与结构分析实验室李超 荣副研究员、张晓娜、表面物理国家重点实验 室曹则贤研究员通过应力自组装在无机体系 Ag/SiOx微米级的内核/壳层结构上成功地获 得了三角格子铺排和斐波纳契数花样。
几种典型的粉碎技术： 球磨、振动球磨、振动 磨、搅拌磨、胶体磨、 纳米气流粉碎气流磨
.
24
物理方பைடு நூலகம்－构筑法
构筑法是由小极限原子或分子的集合体人工合成超微粒子
.
25
物理构筑－流动液面上真空蒸度法
.
26
.
***2*7
化学合成方法
化学法主要是“自下而上”的方法，即是通过适当 的化学反应（化学反应中物质之间的原子必然进行组排， 这种过程决定物质的存在状态），包括液相、气相和固 相反应，从分子、原子出发制备纳米颗粒物质。化学法 包括气相反应法和液相反应法。
.
21
纳
粉碎法
干式粉碎 湿式粉碎
米
物理法
粒
子
纳
制
米
备
粒
方
子
构筑法
气体冷凝法 溅射法
氢电弧等离子体法
气相分解法
气相反应法 气相合成法
气－固反应法
法
制
共沉淀法
分 类
备 化学法
沉淀法 均相沉淀法
方 法
水热法 水解沉淀法
液相反应法 溶胶－凝胶法
冷冻干燥法
喷雾法
其它方法(如. 球磨法)
22
气相分解法
化学气相反应法气相合成法
(Science----1. February 2002)
18
Nano rings
JACS. 2005
19
Nano-flowers
中科院物理所先进材料与结构分析实验室李超 荣副研究员、张晓娜、表面物理国家重点实验 室曹则贤研究员通过应力自组装在无机体系 Ag/SiOx微米级的内核/壳层结构上成功地获 得了三角格子铺排和斐波纳契数花样。
- 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)。
图1 不同结构的CdSe1-XTeX 量 子点的结构和光谱性质示意图 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
纳米材料的测试与表征
前
言
• 纳米材料分析的特点 • 纳米材料的成份分析 • 纳米材料的结构分析 • 纳米材料的粒度分析 • 纳米材料的形貌分析 • 纳米材料的界面分析
纳米材料分析的特点
• 纳米材料具有许多优良的特性诸如高比表面、高 电导、高硬度、高磁化率等； • 纳米科学和技术是在纳米尺度上(0.1nm～100nm 之间)研究物质（包括原子、分子）的特性和相互 作用，并且利用这些特性的多学科的高科技。 • 纳米科学大体包括纳米电子学、纳米机械学、纳 米材料学、纳米生物学、纳米光学、纳米化学等 领域。
原子吸收分析特点
• • • • • • • 根据蒸气相中被测元素的基态原子对其原子共振辐射 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 多元素分析；
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。
• 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具体应用。
• 微区分析能力，1微米量级
• 分析准确度高 ，优于2% • 分析灵敏度高，达到10－15g ，100PPM－1% • 样品的无损性 ；多元素同时检测性 • 可以进行选区分析
• 电子探针分析对轻元素很不利 ；
电镜-能谱分析方法
• 利用电镜的电子束与固体微区作用产生的 X射线进行能谱分析（EDAX）；
• 对非金属元素的检测灵敏度低；
电感耦合等离子体质谱法
• ICP-MS 是利用电感耦合等离子体作为离子源的 一种元素质谱分析方法；该离子源产生的样品离 子经质谱的质量分析器和检测器后得到质谱； • 检出限低（多数元素检出限为ppb-ppt级） • 线性范围宽（可达7个数量级）
• 分析速度快（1分钟可获得70种元素的结果）
光谱分析
主要包括火焰和电热原子吸收光谱AAS， 电感耦合等离子 体原子发射光谱ICP-OES， X-射线荧光光谱XFS 和X-射 线衍射光谱分析法XRD； 质谱分析
主要包括电感耦合等离子体质谱ICP-MS 和飞行时间二次 离子质谱法TOF-谱XPS 和俄歇电子能谱法AES
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）
电子探针分析方法
• 电子束与物质的相互作用也可以产生特征的X-射线根 据X-射线的波长和强度进行分析的方法称为电子探针 分析法；
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ICP， 质谱以及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。
纳米材料的成份分析
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； 1. TiO2纳米光催化剂掺杂C,N例子说明 2. 纳米发光材料中的杂质种类和浓度还可能对发光 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。
• 谱图干扰少（原子量相差1可以分离），能进行 同位素分析；
X-射线荧光光谱分析法
• 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； • X 射线荧光光谱仪有两种基本类型波长色散型和 能量色散型； • 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。 • 本低强度低，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；
电感耦合等离子体发射光谱法ICP
• 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；线性范围可达4～6个数量级
• 与电子显微镜结合（SEM，TEM），可 进行微区成份分析； • 定性和定量分析，一次全分析；
纳米成份分析案例
• ICP-OES 研究CdSe 纳米粒子的组成
1. 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。
2. 红外光谱研究发现了季铵化吡啶环的特征吸收峰；
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； • 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；
纳米材料成份分析种类