第六章 纳米材料检测及表征技术.ppt

成分分析形貌分析粒度分析结构分析表面界面分析 第六章纳米材料的表征与检测技术 1 纳米材料的粒度分析 1 1粒度分析的概念 晶粒 是指单晶颗粒 即颗粒内为单相 无晶界 一次颗粒 是指含有低气孔率的一种独立的粒子 团聚体 是由一次颗粒通过表面力或固体桥键作用而形成的更大的颗粒 团聚体内含有相互连接的气孔网络 团聚体可分为硬团聚体和软团聚体两种 团聚体的形成过程使体系能量下降 二次颗粒 是指人为制造的粉料团聚粒子 例如制备陶瓷的工艺过程中所指的 造粒 就是制造二次颖粒 纳米微粒一般指一次颗粒 它的结构可以为晶态 非晶态和准晶态 可以是单相 多相或多晶结构 颗粒尺寸的定义对球形颗粒来说颗粒尺寸 粒径 即指其直径 规则球形颗粒用球的直径或投影圆的直径表示 形状不规则或不对称的颗粒用长 宽 高的某种平均值来表示 称为几何粒径 由于几何粒径计算繁锁 可以通过测量其比表面积 光波衍射等性质来测定的等效直径称为等当直径 当量直径 比表面粒径 利用吸附法 透过法和润湿热法测定粉末的比表面积 再换算成具有相同比表面积的均匀球形颗粒的直径 纳米颗粒的粒径测量方法很多 下面介绍几种常用的方法 1 纳米材料的粒度分析 1 2 粒度分析的种类和适用范围 筛分法 显微镜法 沉降法激光衍射法 激光散射法 光子相干光谱法 电子显微镜图像分析法 基于布朗运动的粒度测量法和质谱法 其中激光散射法和光子相干光谱法由于具有速度快 测量范围广 数据可靠 重复性好 自动化程度高 便于在线测量等测量而被广泛应用 其测量颗粒最小粒径可以达到20nm和1nm 1 2 1显微镜法 光学显微镜0 8 150 m电子显微镜小于0 8 m 1nm 5 m范围内的颗粒 图像分析技术因其测量的随机性 统计性和直观性被公认为是测量结果与实际粒度分布吻合最好的测试技术 优点 直接观察颗粒形状 可以直接观察颗粒是否团聚 缺点 取样代表性差 实验重复性差 测量速度慢 对于纳米材料体系的粒度分析 首先要分清是对颗粒的一次粒度还是对二次粒度进行分析 一次粒度的分析主要采用电镜的直观观测 根据需要和样品的粒度范围 可依次采用扫描电镜 SEM 透射电镜 TEM 扫描隧道电镜 STM 原子力显微镜 AFM 观测 直观得到单个颗粒的原始粒径及形貌 由于电镜法是对局部区域的观测 所以 在进行粒度分布分析时 需要多幅照片的观测 通过软件分析得到统计的粒度分布 电镜法得到的一次粒度分析结果一般很难代表实际样品颗粒的分布状态 纳米材料颗粒体系二次粒度统计分析方法 按原理分较先进的三种典型方法是 高速离心沉降法 激光粒度分析法和电超声粒度分析法 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 分辨率 6nm左右 场发射扫描电镜0 5nm制样 溶液分散或干粉制样样品要求 有一定的导电性能对于非导电性样品 表面蒸镀导电层如表面镀金 蒸碳等 一般在10nm以下的样品不能蒸金 因为颗粒大小在8nm左右 会产生干扰 应采取蒸碳方式 扫描范围 扫描电镜 1nm到毫米量级透射电镜 1 300nm之间 2 纳米材料的形貌分析 2 1形貌分析的重要性对于纳米材料 其性能不仅与材料颗粒大小还与材料的形貌有重要关系 形貌分析主要内容是分析材料的几何形貌 材料的颗粒度 颗粒的分布以及形貌微区的成分和物相结构等方面 2 2形貌分析的主要方法 扫描电子显微镜 SEM 透射电子显微镜 TEM 扫描隧道显微镜 STM 原子力显微镜 AFM 3 成分分析 3 1成分分析方法与范围类型 对象 微量样品分析和痕量成分分析取样量待测成分的含量 分析目的 体相元素成分分析表面成分分析微区成分分析等方法 体相元素组成分析方法 原子吸收 原子发射 ICP质谱 破坏性 X射线荧光与衍射分析方法 非破坏性 原理 X射线荧光的能量或波长是特征性的 与元素有一一对应关系 用途 定性和半定量 3 2X射线荧光光谱分析方法 XFS 表面分析方法 X射线光电子能谱 XPS 分析方法俄歇电子能谱 AES 分析方法电子衍射分析方法二次离子质谱 SIMS 分析方法等获得信息 纳米材料表面化学成分 分布状态与价态 表面与界面的吸附与扩散反应的状况等进行测定 X射线光电子能谱和俄歇电子能谱分析方法原理 基于材料表面被激发出来的电子所具有的特征能量分布 能谱 而对材料表面元素进行分析的方法 区别 两者的主要区别是所采用的激光源不同 X射线光电子能谱用X射线作为激发源 而俄歇电子能谱则采用电子束作为激发源 3 3电子能谱分析 获得信息 X射线光电子能谱法 XPS 能够提供样品表面的元素含量与形态 其信息深度约为3 5nm 俄歇电子能谱是利用电子枪所发射的电子束逐出的俄歇电子对材料表面进行分析的方法 而且是一种灵敏度很高的分析方法 其信息深度为1 0 3 0nm 绝对灵敏度可达到10 3个单原子层 是一种很有用的分析方法 微区成分分析方法 透射电子显微镜和扫描电子显微镜与能谱相结合 4 纳米材料的结构分析 4 1 纳米材料的结构特征纳米结构晶体或三维纳米结构 如等轴微晶 二维纳来米结构 如纳米薄膜 一维纳米结构 如纳米管 零维原子簇或簇组装 如粒径不大于2nm的纳米粒子 纳米材料包括晶体 膺晶体 无定形金属 陶瓷和化合物等 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 粒子中的电子运动在三个方向上均受到限制 电子的连续能带被分裂至接近分子轨道能级 纳米粒子的声 光 电 磁 热以及超导电性与宏观特性有很大的不同 称为量子尺寸效应 4 1 4 宏观量子隧道效应隧道效应是指微观粒子具有贯穿势垒的能力 后来人们发现一些宏观量 如磁化强度 量子干涉器件中的磁通量也具有隧道效应 称之为宏观量子隧道效应 纳米粒子具有与微观粒子相似的能够贯穿势垒的隧道效应 该效应也被称为宏观量子隧道效应 4 2物相结构的亚微观特征为了精确表征以下的亚微观特征 4 2 1晶粒的尺寸 分布和形貌 4 2 2 晶界和相界面的本质 4 2 3晶体的完整性和晶间缺陷 4 2 4跨晶粒和跨晶界的组成和分布 4 2 5微晶及晶界中杂质的剖析 分析的目的还在于测定纳米材料的结构特性 为解释材料结构与性能关系提供实验依据 常用的物相分析法 X射线衍射分析激光拉曼分析微区电子衍射分析 4 3 纳米材料结构分析新进展高分辨透射电镜 HRTEM 扫描探针显微镜 SPM 扫描隧道显微镜 STM 原子力显微镜 AFM 场离子显微镜 FIM X射线衍射仪 XRD 扩展X射线吸收精细结构测定仪 EXAFS 穆斯堡尔谱仪 MS 拉曼散射仪 RS 等等 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 超高真空系统原因 XPS和AES都是表面分析技术 如果分析室的真空度很差 在很短时间内清洁表面可能被真空中的残气体所覆盖 没有超高真空条件不可能获得真实的表面成分信息 5 2XPS X rayPhotoelectronSpectroscopy 的分析方法用途 表面元素定性分析 表面元素的半定量分析 表面元素的化学价态分析 5 3俄歇电子能谱分析优点 在靠近表面0 5 2nm范围内化学分析的灵敏度高 数据分析速度快 俄歇电子能谱可以分析除氢氦以外的所有元素用途 表面元素定性 半定量分析 元素深度分布分析和微区分析 总结 纳米材料的表征方法 常规的测试手段 透射电镜 TEM X 射线衍射 XRD 能谱 EDS X射线光电子谱 XPS X射线吸收精细结构 XAFS 振动磁强计 VSM 穆斯堡尔谱 Mossbauer 示差扫描量热 DSC 等 对粒径小于10nm的纳米粒子 须采用更有效的测试手段 如高分辨电镜 HREM 拉曼谱 RAMAN 核磁共振 NMR 紫外光电子谱 UPS 扩展X射线吸收精细结构 EXAFS 扫描隧道显微镜 STM 等 1 X射线衍射 powderx raydiffraction 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 2 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 透射电子显微镜的分辨率大约为o 1nm左右 可用于研究纳米材料的结晶情况 观察纳米粒子的形貌 分散情况及测量和评估纳米粒子的粒径 许多有关纳米材料的研究 都采用TEM作为表征手段之一 用TEM可以得到原子级的形貌图像 2 透射电子显微镜 Transmissionelectronmicroscory TEM 3 扫描电子显微镜 Scanningelectronmicroscopy SEM 4 热分析 5 扫描探针显微技术 scanningprobemicroscopy SPM 5 1扫描隧道电子显微镜STM 5 2原子力显微镜AFM 1986年 原子力显微镜AFM的出现弥补了STM只能直接观察到导体和半导体的不足 可以以极高分辨率研究绝缘体表面 其横向分辨率可达2nm 纵向分辨率为1nm 这样的横向 纵向分辨中都超过了普通扫描电锐的分辨率 而且AFM对工作环境和