第三讲 纳米材料测试技术

扫描隧道电镜STM（02）
扫描隧道显微镜(STM)的特点3
3、扫描隧道显微镜的针尖还可以用来移动和操纵 单个的原子和分子，这是其他任何类型的显微镜 都做不到的.所以扫描隧道显微镜也是纳米科学技 术研究的重要工具，1993年，中科院北京真空物 理实验室的科学家们就利用扫描隧道显微镜操纵 硅晶体表面的原子，在200 nm×200nm的尺度上 成功地写出了“中国”两字(如图所示)，其中笔 画的线条宽度仅为10nm.
5.(扫描电镜SEM) 实例 1
扫描电子显微镜（SEM）观察纤维电极材料的表面特点。
(扫描电镜SEM) 实例 1
扫描电子显微镜（SEM）下观察的纳米Ag丝的特点。
(扫描电镜SEM) 实例 3
(透射电镜TEM) 实例 1
IV. 透射电镜TEM
1.透射电镜TEM实物
2.透射电镜(TEM) 工作原理
3. 扫描电镜(SEM)工作原理：
4.扫描电镜SEM用途及样品准备
扫描电子显微镜（SEM）主要用于观察材料 的表面特点、外观形态、聚集状态、颗粒粒径等 （统计）特征。 待分析样品的制备（准备）： 1）块体、粉体可直接观察； 2）纳米粉体的聚合体可先超声波分散处理 （以酒精或水为介质），然后将分散好的浑浊液 滴在物台或滤纸上干燥。
二、物相定量分析
1.基本原理 定量分析的任务是确定物质(样品)中各组成相的 相对含量。 由于需要准确测定衍射线强度，因而定量分析一 般都采用衍射仪法。 设样品中任意一相为j，其某(HKL)衍射线强度为 Ij，其体积分数为fj，样品(混合物)线吸收系数为； 定量分析的基本依据是： Ij随fj的增加而增高；但由于样品对X射线的吸收， Ij亦不正比于fj，而是依赖于Ij与fj及之间的关系。
衍射花样的指数标定 点阵常数（晶胞参数）测定 晶体对称性（空间群）的测定 等效点系的测定
晶体结构分析
晶体定向 非晶体结构分析 晶粒度测定 结晶度测定, 晶体密度测定 取向度测定 宏观应力分析
1. 物相分析
物相分析是指确定物质（材料）由哪些相组成（即 物相定性分析或称物相鉴定）和确定各组成相的含 量（常以体积分数或质量分数表示，即物相定量分 析）。
（1）数值索引
以Hanawalt无机相数字索引为例。 其编排方法为：一个相一个条目，在索引中占一横行， 其内容依次为按强度递减顺序排列的8条强线的晶面间距 和相对强度值、化学式、卡片编号和参比强度值。条目 示例如下：
芬克无机数值索引与哈那瓦特数值索引相类似，主要不 同的是其以八强线条的d值循环排列，每种相在索引中可 出现8次。
扫描隧道电镜SEM（01）
扫描隧道显微镜(STM)的特点2
2、扫描隧道显微镜对工作的环境和使用条件的要 求不高，它既可以在真空中，也可以在大气中工 作;工作环境可以是常温，也可以是低温;甚至可 以把样品浸泡在各种液体介质，如：水、电解液 或者液氮当中，这就大大拓宽了扫描隧道显微镜 的使用范围，许多只能在溶液中保持活性的生物 样品，只有采用扫描隧道显微镜才能够做出最接 近自然状态的观察.
原子力显微镜 AFM-实例02
原子力显微镜（AFM）观察Ni(OH)2+Zn(OH)2膜材料的表面特点。
原子力显微镜 AFM-实例03
普通名片纸AFM
原子力显微镜 AFM-实例04
照片质量纸AFM
原子力显微镜 AFM-实例05
陶瓷膜表面形貌的AFM三维图象
原子力显微镜 AFM-实例06
陶瓷膜表面形貌的AFM三维图象
3. 透射电镜TEM用途及样品准备
（1）透射电子显微镜（TEM）主要用于观察材 料的结构特点、外观形态、聚集状态（团聚）、 颗粒粒径等特征。 （2）待分析样品的制备（准备）： 因为块体、粉体可不可以直接观察； 纳米粉体的聚合体可先超声波分散处理 （以酒精或水为介质），然后将浓度适当的分散 好的浑浊液滴，附着在铜网上（样品架，照片实 例中可见）直接观察。
原子力显微镜 AFM-实例06
原子力显微镜 AFM-实例06
原子力显微镜 AFM的硬件构成04
图4.图 AFM头及其主要配件
(1- 激光器；2-反射镜；3- 微悬臂； 4-倾斜反光镜；5-光电检测器)
原子力显微镜 AFM的硬件构成05
图5. AFM的探头
原子力显微镜 AFM-实例-01
原子力显微镜（AFM）观察Ni(OH)2膜材料的表面特点。
5. 多相物质分析
多相物质相分析的方法是按上述基本步骤逐 个确定其组成相。 多相物质的衍射花样是其各组成相衍射花样 的简单叠加，这就带来了多相物质分析(与 单相物质相比)的困难： 检索用的三强线不一定局于同一相，而且还 可能发生一个相的某线条与另一相的某线条 重叠的现象。 因此，多相物质定性分析时，需要将衍射线 条轮番搭配、反复尝试，比较复杂。
Copper Powder Nano particles（XRD）
5. X-Ray Diffraction
5. X-Ray Diffraction
5. X-Ray Diffraction
5. X-Ray Diffraction
单一物相的鉴定或验证 物相定性分析
物相分析 混合物相的鉴定 （物相鉴定） 物相定量分析
扫描隧道电镜SEM
美國國家標準和科技中心 (NIST) 用鈷原子在一個銅的表面上製造出來的一個40nm寬的 NIST的標誌。背景中的波紋是用電子製造出來的， 這些電子可以在銅的表面製造出一個類似流體的层面。
扫描隧道电镜STM（03）
用扫描隧道显微镜在高定向裂解石墨表面上刻写的汉字”原 子”\“中国” ，其中笔画的线条宽度为10nm。如果用这样大小的汉 字来书写《红楼梦》一书，只需大头针针头那样小的面积，就可写进 全书的内容。 用扫描隧道显微镜画出来的中国地图其比例尺为 l∶1013。这是目前世界上最小的中国地图。
5. X的PDF卡片
5. X-Ray Diffraction
3. PDF卡片索引
为方便、迅速查对PDF卡片，JCPDS编辑出版了多种PDF 卡片检索手册： Hanawalt无机物检查手册 Hanawalt有机相检查手册 无机相字母索引 Fink无机索引 矿物检索手册等。 检索手册按检索方法可分为两类，一类以物质名称为索引 (即字母索引)，另一类以d值数列为索引(即数值索引)。
原子力显微镜 AFM成像原理01
图1. 激光检测原子力显微镜原理示意图
图2. 激光检测原子力显微镜工作示意图
系统结 构
在原子力 显微镜 （AFM） 的系统中， 可分成三 个部分： 力检测部 分、位置 检测部分、 反馈系统。
原子力显微镜 AFM的硬件构成03
图3. 激光检测原子力显微镜探针工作示意图
扫描隧道显微镜照片：
扫描隧道电镜SEM
此影像是取於當鈷 原子被拖曳过一個 紧密堆积的銅原子 晶格表面。大而圓 的部分是鈷原子和 銅結合在其所偏愛 的最低位能的結合 位址。較亮的三角 形區域乃是鈷原子 和銅結合在較高位 能的位置。較暗黑 的區域是鈷原子會 跳過，而完全拒絕 去結合。
扫描隧道显微镜照片：
STM工作原理
STM工作原理
STM工作原理
扫描隧道电镜STM用途及特点
STM的用途：
扫描隧道显微镜（STM）主要用于观察材料的表面 特点、外观形态、聚集状态、颗粒粒径等（统计）特征, 进行原子操作。
STM的特点：
1、扫描隧道显微镜(STM)的分辨非常高，大大优于 一般电子显微镜，其横向(表面)及纵向(深度)分辨率可以 达到0.1 nm-0.01 nm，而一般的电子显微镜仅能达到几 十纳米的分辨率，一般原子的大小为0.1nm，所以用扫描 隧道显微镜可以直接“看到”原子的大小，而其他显微镜 无法做到。
第三讲 纳米材料的表征/测试
1. 原子力显微镜AFM 2. 隧道扫描显微镜STM
3. 扫描电子显微镜SEM
主要技术
4. 透射电子显微TEM
5. X射线粉末衍射XRD 6. 其它分析手段
1、原子力显微镜 AFM
原子力显微镜(Atomic Force Microscopy, AFM)是由IBM 公司的Binnig与史丹佛大学的Quate 于一九八五年所发明 的，其目的是为了使非导体也可以采用扫描探针显微镜 （SPM）进行观测。 原子力显微镜是利用微小探针与待测物之间交互作用 力，来呈现待测物的表面之物理特性。所以在原子力显微 镜中也利用斥力与吸引力的方式发展出两种操作模式： （1）利用原子斥力的变化而产生表面轮廓为接触式原 子力显微镜（contact AFM ），探针与试片的距离约数个 Å。 （2）利用原子吸引力的变化而产生表面轮廓为非接触 式原子力显微镜（non-contact AFM ），探针与试片的距 离约数十个Å 到数百个Å。
5. 多相物质分析
多相物质相分析的方法是按上述基本步骤逐个确定其组成相。 多相物质的衍射花样是其各组成相衍射花样的简单叠加，这就 带来了多相物质分析(与单相物质相比)的困难： 检索用的三强线不一定局于同一相，而且还可能发生一个相的 某线条与另一相的某线条重叠的现象。 因此，多相物质定性分析时，需要将衍射线条轮番搭配、反复 尝试，比较复杂。
（2）字母索引
以物相英文名称字母顺序排列。每种相一个条目，占 一横行。 条目的内容顺序为：物相英文名称、三强线d值与相 对强度、卡片编号和参比强度号。条目示例如下：
4.物相定性分析的基本步骤
（1）制备待分析物质样品； （2）用衍射仪法或照相法获得样品衍射花样； （3）检索PDF卡片； （4）核对PDF卡片与物相判定。
3、Scanning Electron Microscope (扫描电镜SEM)
1 扫 描 电 子 显 微 镜 SEM 实 物
Scanning Electron Microscope 2. 扫描电镜(SEM)工作原理：电子和样品作用
电子束和固体样品表面作用时的物理现象