纳米材料简介及纳米材料的测试与表征
纳米材料的合成与表征
纳米材料的合成与表征纳米材料是指粒径在1-100纳米（nm）的材料，这种尺度下材料的物理、化学、光学、电子等性质有着独特的变化。
纳米材料的合成和表征是纳米学、材料科学和化学领域中的重要课题之一。
一、纳米材料的合成1. 物理方法物理合成法主要是通过物理手段改变物质形态实现的，比如电子束光刻、激光蒸发和溅射等方法。
其中较为常见的是物理气相沉积技术（PVD）和物理液相沉积技术。
PVD方法简单易行，通常适用于稳定化合物和非氧化物材料的制备。
其优点是可控性好，反应过程无污染，缺点是生产效率低，成本较高。
2. 化学方法化学合成法是通过化学反应实现的，分为溶胶-凝胶法、电化学法、双逆法、热分解法等。
其中，溶胶-凝胶法是近年来应用最广泛的一种纳米材料化学制备方法，其特点是原料易得、反应条件温和、纳米粒子尺寸可控。
但是，该方法的缺点是不能制备规模化的纳米材料。
3. 生物方法生物合成法是利用浸润在微生物体内的金属离子还原成金属纳米颗粒。
这种方法具有生物降解性和生物相容性的优点，可以降低对环境的污染和对生物体的伤害。
二、纳米材料的表征1. 扫描电镜（SEM）SEM可以对样品表面形貌进行高分辨率的观察。
通过SEM观察纳米材料的形貌、粒径分布情况等，得到纳米材料的形貌信息，对纳米材料的结构和性质具有较好的表征作用。
2. 透射电镜（TEM）TEM可以对样品内部结构进行高分辨率的观察。
通过TEM观察纳米材料的晶体结构、晶格常数、晶粒大小等，可以了解纳米材料的晶体结构信息。
3. 稳态荧光光谱法稳态荧光光谱法可以用来表征纳米材料的结构、表面修饰或化学反应的结果、吸附反应的结果等。
通过判断荧光光谱发射峰位置的变化和强度的变化，可以了解纳米材料表面上发生的化学反应或物理吸附的结果。
4. 热重分析法热重分析法使用精确的权衡系统，破坏并排除样品中的物质，通常以热解或热脱附为主要手段。
可以通过测试样品的热重曲线，了解纳米材料的热稳定性、氧化稳定性、吸附性能、结晶状态等信息。
纳米材料的检测分析技术
分辨率较高，操作简单，但需要将样品进行镀金处理，且对生物样品有一定的损伤。
原子力显微镜技术
1
利用微悬臂上的一端针尖接触样品表面，通过检 测针尖与样品表面原子之间的相互作用力来获得 样品的形貌和成分信息。
2
可以观察纳米材料表面的原子级细节，对于研究 纳米材料的表面性质和界面行为具有重要意义。
02
可以检测纳米材料中的化学键振动和转动，从而推断出材料的
分子结构和化学组成。
可以用于表面增强拉曼散射(SERS)技术，提高检测灵敏度和分
03
辨率。
核磁共振技术
01
利用核自旋磁矩进行研究物质结构和化学键的检测技术。
02
可以提供分子内部结构和化学环境的信息，有助于了解纳米 材料的分子结构和化学组成。
通过对纳米材料的结构和 性能进行深入了解，为新 材料的研发提供指导和依 据。
评估环境影响
检测分析纳米材料在环境 中的分布、迁移和降解情 况，评估其对环境和生态 的影响。
检测分析技术的发展历程
起步阶段
成熟阶段
20世纪80年代初，随着纳米科技的兴 起，人们开始关注纳米材料的检测分 析技术。
21世纪初至今，检测分析技术不断优 化和完善，成为纳米科技领域的重要 支撑。
环境领域
用于水处理、空气净化和土壤 修复等。
医疗领域
用于药物输送、生物成像和癌 症治疗等。
电子信息领域
用于制造高性能计算机、电子 器件和光电器件等。
02
纳米材料检测分析技术概述
检测分析的目的和意义
确保产品质量
通过检测分析，确保纳米 材料的质量和性能符合预 期要求，保证产品的可靠 性和安全性。
纳米材料的表征方法之STM和AF
如果需要获取表面结构信息，STM更为适合；若主要关注 表面形貌，则AF更为合适。
实验条件与设备
考虑实验室现有设备和实验条件，包括真空度要求、样品 制备方式等，以确保实验的可行性和准确性。
05 STM和AF的未来发展
STM和AF的技术创新
新型探测器技术
利用新型探测器技术提高STM和 AF的灵敏度和分辨率，实现更精 确的纳米材料表征。
02 STM的基本原理及应用
STM的基本原理
STM的基本原理是基于量子力学和电子波动性的原理，通过测量针尖和样 品之间的微弱相互作用来获得表面形貌信息。
当针尖在样品表面扫描时，针尖和样品之间的隧道电流会发生变化，通过 测量这个电流的变化，可以获得表面形貌信息。
STM具有高分辨率和高灵敏度的特点，可以用于研究表面原子结构和电子 性质。
两者都需要极高的真空度
STM和AF的实验通常需要在高真空环境下进行，以减少表面污染和氧化。
两者都可以用于研究导体和绝缘体
STM和AF都可以用来研究导体、半导体和绝缘体的表面结构。
STM和AF的不同之处
信Байду номын сангаас获取方式不同
STM通过隧道电流检测表面结构，而AF通过测量光子反射率获取表 面形貌信息。
应用范围有差异
AF的分辨率很高，可以检测到单个原子，而且可以在大气环境下工作，不需要真 空条件。
AF在纳米材料表征中的应用
表面形貌观察
力学性能测试
AF可以用来观察纳米材料的表面形貌， 了解材料的表面粗糙度、颗粒大小等 信息。
AF可以用来测试纳米材料的力学性能， 如硬度、弹性模量等。
化学成分分析
通过AF的力曲线分析，可以了解不同 化学成分的原子间相互作用力的差异， 从而推断出材料的化学成分。
第五讲 纳米检测和表征技术
吸收与发射光谱分类
光谱分类名称 穆斯堡尔谱 X射线吸收谱 作用物质 原子核 原子(内层电子) 能级跃迁类型 原子核能级 电子能级跃迁 (低能级到高能级) 价电子能级跃迁 (低能级到高能级) 分子电子能级跃迁 (低能级到高能级) 分子振动能级跃迁 (低能级到高能级) 吸收或发射 辐射种类 γ 射线 X射线 Z>10的重元素, 自由(气态)原 子 自由(气态)原 子 备注
二、扫描探针显微镜发展 • 1981年，扫描隧道显微镜，第一种扫描探针显 微镜第一次实时观察单个原子； 1986年，原子力显微镜，弥补了STM只能观察 导电材料的不足； 1987，磁力显微镜、摩擦力显微镜 1988，静电力显微镜 1989，扫描电化学显微镜 1984-1992，扫描近场光学显微镜
•
电子探针
• 分辨率：1nm • 元素范围：Z = 4 ~ 92 • 主要功能：材料微 区化学成分分析
光谱分析方法概述
• 光谱分析是基于电磁辐射与材料相互作用产生的 特征光谱波长与强度进行材料分析的方法。 • 光谱分析方法的技术基础是电磁辐射与材料相互 作用而产生的辐射的吸收、发射、散射等。 • 光谱分析方法包括： 吸收光谱分析法 发射光谱分析法 散射光谱（拉曼散射谱）分析法
三种组织分析手段的比较
扫描探针显微镜 扫描电 子 显 微 镜 观察倍率 ×10000000 ×1000000 ×100000 ×10000
光学显微镜
×1000 ×100 ×10
分辨率
10000 10
1000 1
1001
0.1 0.0001
ｎｍ μｍ
OM
SEM
SPM
x射线衍射、电子衍射、中子衍射
一、X射线衍射分析
• X射线照射晶体，散射波相互干涉 ，在某些方向 上一致加强，即形成了晶体的衍射波。
纳米材料检测
纳米材料检测纳米材料是指至少在一维上尺寸在1-100纳米之间的材料，由于其特殊的尺寸效应和表面效应，纳米材料具有许多独特的物理化学性质，被广泛应用于电子、医药、材料等领域。
然而，由于其尺寸极小，传统的材料检测方法往往难以对纳米材料进行准确的检测和表征。
因此，发展出一套高效准确的纳米材料检测方法显得尤为重要。
首先，纳米材料的检测需要借助于先进的显微镜技术。
透射电镜、扫描电镜等显微镜技术能够对纳米材料的形貌、尺寸、表面形貌等进行精确的观察和分析，为纳米材料的检测提供了重要的手段。
通过显微镜技术，可以直观地观察到纳米材料的形貌特征，从而对其进行初步的检测和表征。
其次，纳米材料的检测还需要借助于先进的光谱分析技术。
红外光谱、拉曼光谱、X射线光电子能谱等光谱分析技术能够对纳米材料的化学成分、结构、表面性质等进行精确的分析和表征，为纳米材料的检测提供了重要的手段。
通过光谱分析技术，可以获取到纳米材料的详细化学信息，从而对其进行深入的检测和表征。
此外，纳米材料的检测还需要借助于先进的物理性能测试技术。
扫描探针显微镜、原子力显微镜、电化学工作站等物理性能测试技术能够对纳米材料的力学性能、热学性能、电学性能等进行精确的测试和表征，为纳米材料的检测提供了重要的手段。
通过物理性能测试技术，可以获取到纳米材料的详细物理性能信息，从而对其进行全面的检测和表征。
总的来说，纳米材料的检测需要借助于多种先进的分析测试技术，通过综合运用显微镜技术、光谱分析技术、物理性能测试技术等，可以对纳米材料的形貌、化学成分、结构、力学性能、热学性能、电学性能等进行全面的检测和表征，为纳米材料的研究和应用提供了重要的技术支持。
希望随着科学技术的不断发展，能够不断完善和提高纳米材料的检测方法，为纳米材料的研究和应用开辟更广阔的前景。
第六章 纳米材料检测及表征技术
5．纳米材料表面与界面分析
5.1 纳米材料表面与界面分析方法
分析对象： • 纳米薄膜材料 • 特别是固体材料 （元素化学态分析、元素三维分布分析以 及微区分析）
• 常用分析方法： X射线光电子能谱（XPS） 俄歇电子能谱（AES） 静态二次离子质谱（SIMS） 离子散射谱（ISS）
５０％ ４０％ ８％
纳米材料有以下性质。 4.1.1. 小尺寸效应 当纳米微粒尺寸与光波的波长、传导电子的德布罗意
波长以及超导态的相干长度或穿透深度等物理特征尺寸相当时，晶体周期性
的边界条件将被破坏，声、光、力、电、热、磁、内压、化学活性等与普通 粒子相比均有很大变化，这就是纳米粒子的小尺寸效应(也称体积效应)。 4.1.2. 表面与界面效应 纳米粒子由于尺寸小、表面积大、表面能高、位 于表面的原子处于严重的缺位状态，因此其活性极高，很不稳定，遇到其它 原子时很快结合，这种活性就是表面效应。 4.1.3. 量子尺寸效应 当微晶尺寸与德布罗意波长相当时，粒子中的电子
1.2.2.电镜观察粒度分析
• 最常用的方法，不仅可以进行纳米颗粒大 小的分析，也可以对颗粒大小的分布进行 分析，还可以得到颗粒形貌的数据。 • 扫描电镜 和 透射电镜 • 主要原理：通过溶液分散制样的方式把纳 米材料样品分散在样品台上，然后通过电 镜放大观察和照相。通过计算机图像分析 程序就可以把颗粒大小、颗粒大小的分布 以及形状数据统计出来。
1. X射线衍射(powder x-ray diffraction，XRD)
• x射线粉末物质衍射是鉴定物质晶相的有效手段。 可以根据特征峰的位置鉴定样品的物相。此外， 依据XRD衍射图．利用scherrer 公式，用衍射峰的半 高宽和位置(2θ)可以计算纳米粒子的粒径。几乎 所 有纳米材料的表征郁少不了x射线衍射方法。改进的x 射线 Fourier解析法分析XRD单峰，都得到较准确的晶 粒尺寸。中山大学 物理系的古堂生等提出了测量纳米 晶粒尺寸分布的新方法。 XRD还用于晶体结构的分析。对于简单的晶体结构， 根据粉末 衍射图可确定品胞中的原子位置、晶胞参数 以及晶胞中的原子数。高 分辨X射线粉末衍射用于晶 体结构的研究，可得到比XRD更可靠 的结构信息，以 及获取有关单品胞内相关物质的元素织成比、尺寸、 离子间距与键长等纳米材料的精细结构方面的数据与 信息.
纳米功能材料的制备与表征
纳米功能材料的制备与表征近年来，纳米技术发展日新月异，纳米材料的制备与应用也得到了广泛的关注。
纳米功能材料的制备与表征是纳米科技中不可缺少的环节，在纳米科技的各个领域中都有着重要的应用。
今天，我们就一起来了解一下纳米功能材料的制备与表征的相关知识。
一、纳米功能材料的制备方法在制备纳米功能材料时，通常需要通过一些特殊的方法来实现纳米级精度。
其中，主要有以下几种方法：1. 物理制备方法物理制备方法是指通过物理手段来制造纳米材料，主要包括机械法、热处理法、蒸发法、溅射法等。
机械法是指通过机械力将材料切割成纳米级别的微粒。
常用的机械制备方法有球磨法、流化床法等。
热处理法是指将材料在高温下进行一系列的热处理，使其形成纳米级别的颗粒。
常用的热处理方法有高温还原法、热分解法等。
蒸发法是指将材料在真空条件下蒸发成薄膜，然后使用一些特殊的手段将其压缩成纳米级别的颗粒。
常用的蒸发法有电子束蒸发法、磁控溅射法等。
溅射法是指将材料放置在真空室中，在电子束或离子束的轰击下，使其形成纳米级别的颗粒。
常用的溅射法有磁控溅射法、光致发光溅射法等。
2. 化学制备方法化学制备方法是指通过化学反应来制备纳米材料，主要包括沉淀法、胶体溶胶法、微乳液法等。
沉淀法是指通过化学反应将材料溶液中的金属离子还原成金属颗粒，形成纳米级别的粒子。
常用的沉淀法有化学沉淀法、共沉淀法等。
胶体溶胶法是指在液相中制备纳米颗粒，主要通过控制反应条件来控制颗粒的大小和形态。
常用的胶体溶胶法有溶胶凝胶法、微乳液法等。
微乳液法是指在反应体系中加入表面活性剂，形成微胶团来控制粒子的大小和形态。
常用的微乳液法有水合胶体微乳液法、反应交替微乳液法等。
二、纳米功能材料的表征方法在研究纳米材料的表征时，常采用一些特殊的方法来观察其物理化学性质和结构特征。
其中，主要采用以下几种方法：1. 电子显微镜电子显微镜是一种用来观察纳米材料的表面形貌和结构的仪器。
主要包括扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)等。
纳米材料表征技术
非弹性散射电子：这些电子在穿过样品时损失了部分能 量，方向也有微小变化。用于电子能量损失谱，提供成分 和化学信息。也能用于特殊成像或衍射模式。
技术概述
材料的传输性能与材料内部参数所产生的流有关，由广义力 与所产生的流之间的比例常数来表征，如电导率、扩散系数 等。
材料还有一些难以用单项性能进行评价的特征，如两种材 料之间可接合性、材料的可加工性、抗腐蚀性等。有一些材 料性能随使用环境的要求更难描述，如使用于生物体内的材 料所要求的生体性能、在空间条件下合金的凝固性能等。 在 材料中运动的载流子由于某一方向受约束，当约束尺度小于 运动粒子的自由程时，表现出一定的量子特性。电子的平均 自由程在数十纳米范围，因此一些纳米结构显示电学的量子 性质。无论是孤立对该纳米结构进行性能测量还是把它与另 一些部件连接成一个系统进行量子特性的测量，都面临局域 和信号与噪声比的挑战，这是纳米结构测量中的特有问题。
主要表征方法和用途表征分析方法名称英文简称主要用途低能电子衍射leed有序原子结构分析透射电子显微镜tem样品形貌像扫描电子显微镜sem样品形貌像扫描隧道显微镜stm样品形貌像原子力显微镜afm样品形貌像x射线光电子能谱学xps成分分析俄歇电子能谱学aes成分分析现势谱学aps成分分析紫外光电子能谱学ups电子结构分析角分解光电子能谱学arpes电子结构分析拉曼散射谱raman原子态分析常用的纳米材料的表征分析方法名称及主要用途当聚焦电子束照射到材料样品上如果入射束有足够的束流以产生显微分析所需的信那么电子与样品相互作用所产生的信息可以为材料工作者提供丰富的资料
物理实验中的纳米材料制备与表征方法
物理实验中的纳米材料制备与表征方法随着科技的迅猛发展，纳米科学和纳米技术已经成为当前各领域研究的热点。
纳米材料的特殊性质和广泛应用促使科研人员探索和开发各种制备和表征方法。
在物理实验中，纳米材料的制备和表征是重要的研究内容之一。
本文将介绍一些常见的物理实验中纳米材料制备和表征方法。
一、纳米材料的制备方法1. 溶剂热法溶剂热法是一种常见且简便的纳米材料制备方法。
这种方法适用于许多纳米材料的制备，例如纳米颗粒、纳米线和纳米薄膜等。
通过将金属盐或金属有机络合物加入溶剂中，并在一定温度下进行反应，可以得到所需的纳米材料。
2. 氧化物法氧化物法是一种常用的纳米材料制备方法，特别适用于复杂氧化物的制备。
该方法通常通过高温煅烧金属或金属盐来制备纳米材料。
在特定的氧气氛围中进行高温处理，可以使原料发生氧化反应，得到所需的纳米氧化物材料。
3. 化学气相沉积法化学气相沉积法是一种通过气相反应在基底上制备纳米薄膜的方法。
这种方法主要适用于金属、半导体和氧化物等纳米薄膜材料的制备。
通过将金属有机或金属卤化物等前体材料引入气相反应室，控制反应温度和气体流量，可以使前体材料在基底上沉积形成纳米薄膜。
二、纳米材料的表征方法1. 透射电子显微镜（TEM）透射电子显微镜是一种常用的纳米材料表征方法，能够观察到纳米材料的形貌和结构。
透射电子显微镜利用高能电子穿过样品并产生对比度，从而获得样品的高分辨率图像。
通过TEM可以得到纳米材料的晶体结构、晶胞参数、尺寸分布等信息。
2. 扫描电子显微镜（SEM）扫描电子显微镜是一种常用的表面形貌观察方法，能够观察到纳米材料的表面形貌和结构。
SEM利用高能电子束照射样品表面，并通过探测器接收样品表面反射、散射的电子信号，从而得到高分辨率的表面形貌图像。
通过SEM可以观察到纳米材料的表面形貌、孔隙结构等信息。
3. X射线衍射（XRD）X射线衍射是一种常用的纳米材料结晶性质表征方法。
X射线衍射利用入射X 射线与样品晶体产生的衍射，通过检测衍射角度和衍射强度，可以获得纳米材料的晶体结构信息。
纳米材料的制备与表征技巧
纳米材料的制备与表征技巧引言：纳米材料是指至少在一个维度上具有尺寸范围在1到100纳米之间的材料。
由于其与原子结构相近，纳米材料表现出与宏观物质截然不同的物理和化学性质，具有广泛的应用前景。
然而，纳米材料的制备和表征涉及复杂的技术和方法，本文将介绍一些常用的纳米材料制备和表征技巧。
一、纳米材料的制备技巧1. 溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是一种常用的制备纳米材料的方法。
该方法通过溶胶的形成和凝胶的凝聚过程，得到具有介孔结构的纳米材料。
首先，在溶液中形成溶胶，然后通过水解反应、聚合反应等使溶胶凝胶成固体颗粒。
2. 热蒸发法热蒸发法是一种制备金属纳米材料的常用方法。
该方法将金属材料加热至其熔点以上，使其蒸发并沉积在基材表面形成纳米颗粒。
该方法具有操作简单、制备周期短等优点，适用于制备金属纳米材料。
3. 气溶胶法气溶胶法是一种制备纳米材料的有效方法。
该方法通过可控溶剂蒸发和凝聚，使固体物质以纳米尺寸分散在气体中形成气溶胶。
然后通过合适的沉积技术，将气溶胶转化为固体纳米材料。
4. 物理气相沉积法物理气相沉积法是一种制备纳米材料的重要手段。
该方法通过将气体或蒸汽在真空条件下直接沉积在基底上，形成纳米薄膜。
物理气相沉积法具有高纯度和均匀性等优势，适用于制备复杂纳米结构。
二、纳米材料的表征技巧1. 扫描电子显微镜（SEM）扫描电子显微镜是一种常用的表征纳米材料形貌的方法。
SEM通过照射样品表面的电子束，测量所产生的二次电子的信号来观察材料表面的形貌。
通过SEM 可以得到纳米材料的表面形态和尺寸分布等信息。
2. 透射电子显微镜（TEM）透射电子显微镜是一种高分辨率的材料表征技术，可以直接观察纳米材料的晶体结构和纳米尺度的微观结构。
通过TEM可以获得纳米材料的晶格图像、晶体结构和界面形貌等信息。
3. 粒度分析法粒度分析是一种测量纳米材料粒子尺寸分布的方法。
通过悬浮液的光学性质或粒子在流体中的运动状态来间接测量粒子的尺寸。
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纳米材料成份分析种类
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பைடு நூலகம்谱XPS 和俄歇电子能 谱法AES
例：金属纳米粒子暴露在空气中会自燃，无机纳米粒子暴 露在空气中会吸附气体，并与气体进行反应。 通过下图说明纳米粒子表面活性高的原因：
单一立方晶格结构的原子尽可能接近 圆(或球)形进行配置的超微粒模式图
宏观量子隧道效应
微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。 宏观物理量在量子相干器件中的隧道效应称为宏观量 子隧道效应。 例如微颗粒的磁化强度，具有铁磁性的磁铁，其粒 子尺寸小到一定时，一般是纳米级，会出现由铁磁 性变为顺磁性或软磁性。
一般固体材料颗粒大小可以用颗粒粒度概念来描述。但由 于颗粒形状的复杂性，一般很难直接用一个尺度来描述一 个颗粒大小，因此，在粒度大小的描述过程中广泛采用等 效粒度的概念。
对于不同原理的粒度分析仪器，所依据的测量原理不同， 其颗粒特性也不相同，只能进行等效对比，不能进行横向 直接对比。
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。
注：上述四种量子点的平均直径为5.9nm 组成为CdSe0.6Te0.4
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；
XRF方法的原理
用高速电子激发产生的X射线作为激发源（一次X 射线）去轰击别的原子的内层电子，同样可产生X 射线，只是这种X射线的能量较一次X射线低，波 长也较长，这种射线称为二次X射线或X射线荧光、 荧光X射线。各种不同的元素都有本身的特征X射 线荧光波长，这是定性分析的依据；而元素受激 发射出来的特征X 射线荧光的强度则取决于该元 素的含量，这是定量分析的依据。
红外光谱研究发现了季铵化吡啶环的特征吸收峰； 包覆巯基乙酸的CdSe 在1390cm-1 的吸收峰移动到
1377cm-1 处，说明通过静电作用实现了乙烯基吡啶 季铵盐PVPNI 与包覆巯基乙酸的CdSe 两者的有效 复合。
二、纳米材料的粒度分析
1、粒度分析的概念
对于纳米材料，其颗粒大小和形状对材料的性能起着决定 性的作用。因此，对纳米材料的颗粒大小和形状的表征和 控制具有重要的意义。
胡胜勇 武汉大学 物理科学与技术学院 School of Physics and Technology Wuhan University 2014级材料班 学号：2014301020090 E-mail：2014301020090@
纳米材料的基本理论
•量子尺寸效应 •小尺寸效应 •表面效应 •宏观量子隧道效应 •库仑堵塞与量子隧穿效应 •介电限域效应 •量子限域效应
磁性材料、电子材料
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• 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。
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）
纳米成份分析案例
ICP-OES 研究CdSe 纳米粒子的组成
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。
量子尺寸效应可导致纳米颗粒的磁、光、声、电、 热以及超导电性与同一物质宏观状态时原有性质 有显著差异，即出现反常现象。
如：
金属都是导体，但纳米金属颗粒在低温时，由于 量子尺寸效应会呈现绝缘性。如当温度为1 K时， Ag纳米微粒粒径< 14nm时，Ag纳米微粒变为金 属绝缘体。
纳米金属由导体变为绝缘体的条件
素分析；
电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-AES）
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。 对非金属元素的检测灵敏度低。
一些宏观量如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的 磁通量及电荷等也具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统 的势阱而产生变化，故称之为宏观的量子隧道效应。
经典力学： 量子力学：
不可穿 透的势 垒
隧道效应
特殊效应对物理性能的影响及其应用
特殊效应
物理性能改变
磁有序向无序转变
小尺寸 电子能级间隙增大，电阻增大
纳米微粒尺寸与表面原子数的关系
粒径(nm) 包含的原子数 表面原子比例 表面能量(J/mol) 表 面 能 量 / 总 能 量
10
30000
20％
4.08×104
7.6
5
4000
40％
8.16×104
14.3
2
250
80％
2.04×105
35.3
1
30
99％
9.23×105
82.2
纳米微粒的表面原子所处环境与内部原子不同，它 周围缺少相邻的原子，存在许多悬空键，具有不饱 和性，易与其他原子相结合而稳定。因此，纳米粒 子尺寸减小的结果导致了其表面积、表面能及表面 结合能都迅速增大，进而使纳米粒子表现出很高的 化学活性；并且表面原子的活性也会引起表面电子 自旋构象电子能谱的变化，从而使纳米粒子具有低 密度、低流动速率、高混合性等特点。
效应
力学性能的强韧化
等离子共振频率改变
表面效应
原子表面活性增加 熔点下降
红外吸收带宽化且向短波方向移动 量子效应
出现新的发光现象
宏观量子 隧道效应
某些宏观物理性能可贯穿势垒
应用领域 磁性材料、超导材料 导电材料、绝缘材料 陶瓷材料、金属材料
屏蔽材料 化工催化、能源材料
粉末冶金材料 光吸收材料 光电子材料
3N
N—— 一个超微粒的总导电电子数； V ——超微粒体积； EF ——费米能级。
当粒子为球形时，
1
d3
，即随粒径的减小，
能级间隔增大。
量子尺寸效应
量子尺寸效应——当粒子的尺寸下降到某一纳米值 时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离 散能级的现象，以及纳米半导体微粒中最高被占据 分子轨道和最低未被占据的分子轨道的能级间隙变 宽的现象。 能带理论表明，在高温或宏观尺寸情况下金属费米 能级附近电子能级一般是连续的。对于只有有限个 导电电子的超微粒子来说，低温下能级是离散的。
（1）温度要足够低，即kBT<<δ→一般在几K左右，否则粒径 要更小。
当D=14nm,T=1K时，为绝缘体 当D=2nm,T=343K时，为绝缘体
（2） / ， 能级展宽应小于能级间隔,
电子在相应能级上有足够长的寿命。
小尺寸效应
小尺寸效应——当超细微粒的尺寸与光波波长、德 布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物 理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件 将被破坏；非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子 密度减小，导致声、光、电、磁、热、力学等物性 发生变化，这就是纳米粒子的小尺寸效应，又称体 积效应。
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
• 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。
一、纳米材料的成份分析
• 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
当kBT<<δ（相邻二能级间平均能级间隔）时，这种体系费米面附近的电子 能级分布服从Poisson分布：
Pn
1 n!
n exp
——两能态之间的间隔
Pn ——对应 的几率密度
n——两能态间的能级数
若 为相邻能级间隔，则 n 0 。
2）超微粒子电中性假设
Kubo认为，对于一个超微颗粒，取走或移入一个电子 都是十分困难的。提出一著名公式：
KBT W e2 d
W——从一个超微颗粒取走或移入一个电子克服库仑力所做 的功；