材料表征方法

纳米材料的测试和特性，朱永发清华大学化学系3358166.111.28.134 朱yf ，07.06.2020。2，前言，纳米材料的分析特性纳米材料的结构分析纳米材料的粒度分析纳米材料的形态分析纳米材料的界面分析，07.06.2020。3，纳米材料的分析特性，具有高表面、高电导率、高硬度、高磁化率等许多优秀特性的纳米材料的特性；纳米科学和技术是在纳米尺度(0.1 nm到100n m之间)上研究物质(包括原子、分子)的特性和相互作用，并利用这些特性的多个领域的尖端技术。纳米科学大体上涵盖了纳米电子学、纳米机械学、纳米材料学、纳米生物学、纳米光学和纳米化学等领域。07.06.2020，4，纳米材料分析的重要性，纳米技术和纳米材料属于尖端技术领域，很多研究人员和相关人士还不熟悉纳米材料。特别是关于纳米材料的分析及表征方法，可以得到纳米材料的一些特性信息。主要从纳米材料的成分分析、形态分析、粒度分析、结构分析、表面界面分析等几个方面进行简要介绍。通过纳米材料的研究案例，我想说明这些现代技术和分析方法如何应用于纳米材料的表征。07.06.2020，5，纳米材料的成分分析，07.06.2020，6，成分分析的重要性，纳米材料的光电声热磁等物理特性与构成纳米材料的化学成分和结构有密切关系；TiO2纳米光催化剂对C，N的掺杂实例表明，纳米发光材料中杂质的种类和浓度可能影响发光器件的性能。在ZnS中掺杂其他离子可以调整可见区域的多种颜色，因此，决定纳米材料的元素组成，决定纳米材料的杂质种类和浓度是纳米材料分析的重要内容之一。07.06.2020，7，图1结构不同的CdSe1-XTeX量子点的结构和光谱特性图也是1核壳结构的CdTe-CdSe量子点2核壳结构的CdSe-CdTe量子点3相结构的CD se1-xtx量子点4梯度结构的CdSe1-XTeX量子点上方4个量子点的平均直径，8、成分分析类型和范围、纳米材料成分分析可分为微量样品分析和微量成分分析两种类型，具体取决于分析对象和要求；纳米材料的成分分析方法根据分析目的，分为体相元素成分分析表面成分分析和微区成分分析等。为此，纳米材料成分分析根据分析方法分为光谱分析质谱和能谱分析。07.06.2020，9，主要是火焰和电原子吸收光谱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射线衍射谱XRD包含的纳米材料成分分析类型；质谱主要包括感应耦合等离子体质谱ICP-MS和飞行时间二次离子质谱TOF-SIMS能谱分析，主要包括x射线光电能谱XPS和俄歇电子能谱方法AES，07.06.2020。10、体相成分分析方法、纳米材料的体相元素成分和杂质成分分析方法包括原子吸收原子发射ICP、质谱和x射线荧光和衍射分析。其中前三种分析方法属于破坏性样品分析方法，必须在溶解样品后进行测量。x射线荧光和衍射分析方法直接测量固体样品，因此也称为无损元素分析方法。，07.06.2020，11、原子吸收分析特性根据蒸气相测量元素的基态原子对原子共振辐射的吸收强度，确定样品中测量元素的含量。适用于纳米材料中微量金属杂质离子的定量测定，检测限度低，ng/cm3，10-10-10-14g的测定准确度高，1%(3-5%)选择性好，分离检测和分析因素范围广，70多个不溶性因素，07.06.2020，12、电感耦合等离子体发射光谱ICP、ICP使用电感耦合等离子体作为激发源，根据激发态的受试元素原子返回基态时发射的特性光谱线分析测量因素；可以同时分析多个元素，适用于近70个元素的分析。极低的检测限制，一般为10-1 10-5 g/cm-3稳定性，高精度，1%以内的相对偏差，良好的定量分析；线性范围非金属元素的检测灵敏度低到4 6级。07.06.2020，13，电感耦合等离子体质谱，ICP-MS使用电感耦合等离子体作为离子源的元素质谱；离子源产生的样品离子通过质谱仪和检测仪进行质谱分析。低检测限制(大多数元素检测限制为ppb-ppt级别)线性范围宽度(最多可达7个级别)分析速度(一分钟可获得70个元素的结果)频谱干扰较小(原子量差1可以分离)同位素分析；07.06.2020，14，x射线荧光光谱直接测量固体样品的无损分析方法。纳米材料成分分析有很大的优点。x射线荧光光谱仪有两种基本类型的波长色散类型和能量色散类型。定性分析能力强，可以分析原子数大于3的所有因素。低强度，高分析灵敏度，仅限于10-5到10-9g/g(或g/cm3)几纳米到数十微米薄膜厚度的测量；07.06.2020，15，表面和微结构分析，x射线光电子能谱；(10微米，表面)auger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)电子显微镜的能谱分析；(1微米，体相)电子显微镜的电子能量损失谱分析；(0.5纳米)，07.06.2020，16，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性的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；微区分析能力，1微米体积级分析精度高，比2%分析灵敏度高，达到10-15g、100ppm-1%样品的无损程度。多元素同时检测可进行选择区域分析电子探针分析，对轻元素不利。07.06.2020，17，电子显微镜-利用电子束和固体微区作用产生的x射线进行能谱分析(EDAX)；您可以结合电子显微镜(SEM，TEM)进行微区成分分析。定性定量分析，全面分析；07.06.2020，18、纳米成分分析实例，ICP-OES研究CdSe纳米粒子的组成CdSe在复合纳米粒子中占87.8%，其余12.2%可能是涂层在CdSe表面的有机晶体层。红外光谱研究发现了季铵吡啶环的特性吸收峰。涂巯基乙酸的CdSe从1390cm-1的吸收峰转移到1377cm-1，是涂乙烯吡啶季铵盐PVPNI和巯基乙酸的CdSe的有效复合物，07.06.2020。19，纳米粒子ICP-MS的直接测定，07.06.2020，20，纳米材料的粒度分析，07.06.2020，21，表明了粒度分析的概念，纳米材料的粒度和形状对材料的性能具有决定性作用。因此，对表征和控制纳米材料的粒度和形状具有重要意义。一般固体材料粒子大小可以用粒子大小概念来描述。但是，由于粒子形式的复杂性，通常很难用一个尺度直接描述粒子大小，因此在描述粒子大小的过程中，同样的粒子大小概念被广泛使用。根据粒度分析设备的原理，粒子特性不同，只能进行等效比较，而不能进行横向直接比较。07.06.2020，22、粒度分析的种类和适用范围，显微术；SEM，TEM；1 nm 5 m范围；适用于纳米材料的粒度和形态分析。沉降法(SedimentationSizeAnalysis)沉降法在粒子处于悬浮系统中时，平衡粒子自身的重力(或离心力)、浮力和粘性阻力等，粒子在悬浮系统中以恒定速度沉淀，沉降速度遵循与粒度大小的平方成比例的股票定律。10 nm 20 m的粒子；07.06.2020，23、光散射法、激光衍射粒度测量仪仅在5 m以上粒度的样品分析中更准确，动态光散射粒度小于5 m的纳米样品进行了准确分析。激光光散射法可以测量20nm-3500 m的粒度分布，得到了等效球形体积分布，测量准确、快速、具有代表性、重复性好，适合于混合物质测量。1 nm-3000 nm范围内的粒度分布可以使用光子干涉光谱测量，尤其适用于超细纳米材料的粒度分析。测量体积分布，准确度高，测量速度快，动态范围大，可以研究分布式系统的稳定性。缺点是粒子大小分布不适用于宽采样测量。07.06.2020，24、多种测量作为光散射粒度测试方法的特点，目前最先进的激光光散射粒度测试器可以测量1 nm 3000 m，基本满足超细粉体技术的要求；测量速度快，自动化高，操作简单。一般只需要1到1.5分钟。测量准确，再现性好。你可以得到粒度分布。07.06.2020，25，激光相干谱粒度分析可以通过光子相关谱(PCS)方法测量粒子的移动速度。液体中的纳米粒子以布朗运动为主，其运动速度取决于粒子大小、温度、粘度等。粒子的移动速度可以在一定的温度和粘度条件下使用粒子大小分布光子相关谱(PCS)技术，测量纳米大小悬浮物质粒子，这些粒子在纳米材料、生物工程、药物学和微生物领域具有广泛的应用前景。07.06.2020，26，通过电子显微镜粒度分析，可以提供有关粒子大小、分布和形状的数据，还具有通常可以测量粒子大小从1纳米到几微米的优点。并给出了粒子图像的直观数据。很容易理解。但是，样品准备过程可能严重影响样品准备的分散等结果的缺点也可能直接影响电子显微镜观察的质量和分析结果。电子显微镜采样少会导致取样过程的不可预见性。07.06.2020，27，适合电子显微镜粒度分析的仪器主要是扫描电子显微镜和透射电子显微镜。普通扫描电子显微镜的粒子分辨率一般为6nm左右，场发射扫描电子显微镜的分辨率可达0.5nm。通过扫描电子显微镜，可以采用纳米粉末样品的溶液分散法样品采集或干粉样品采集等方法。准备样品的要求相对较低，但电子显微镜对样品有一定的导电性，因此非导电样品需要表面沉积导电层，如表面蒸笼金、蒸汽碳等。一般粒子在10纳米以下的样品是不能蒸金的。由于金粒子的大小可能在8纳米左右产生干涉，因此必须采取蒸碳的方法。扫描电子显微镜的扫描范围很大，原则上从1nm到mm都可以用扫描电子显微镜进行粒度分析。在透射电子显微镜下，电子束必须通过样品，因此适用的粒度分析范围在1-300nm之间。电子显微镜粒度分析也与电子显微镜的其他技术结合使用，可以测量粒子成分和晶体结构，这对于其他粒度分析是不可能的。，07.06.2020，28，粒度分析和应用，聚合物纳米微球研究，07.06.2020，29，光催化剂的分散状态，07.06.2020，30，水解聚丙烯酰胺溶液的粒度分布图，图9光子相关光谱技术图，07.06.2020，31，纳米材料的结构分析，纳米材料的组成和形式不仅对其性能有重要影响，而且纳米材料的相结构和晶体结构对材料的性能也有重要作用。目前常用的相分析方法有x射线衍射分析、激光拉曼分析和微区电子衍射分析。07.06.2020，32，X射线衍射结构分析，XRD相分析基于多晶样品的X射线衍射效果分析样品各成分的存在形式。测定结晶度，晶相，晶体结构，结合状态等。可以确定多种结晶成分的结构和含量。灵敏度低，一般只能测量样品中含量在1%以上的物质上，定量测量也不准确，一般在1%的数量上测量。XRD相分析所需的样本数量(0.1g)必须多，才能获得更准确的结果，并且不能对非结晶样本进行分析。07.06.2020，33，样品制备，样品的粒度对x射线的衍射强度和再现性有很大影响。普通样品中的粒子越大，参与衍射的粒子越少，产生一次消亡效果，强度的再现性越差。要求粉末样品的粒度范围为0.1 10 m。另外，在采集吸收系数较大的样品时，参与衍射的粒子数减少，再现性可能会恶化。因此，在选择基准材料时，尽量选择结晶不受损、颗粒小于5m、吸收系数小的样品。通常可以用压力机、胶带棒和石蜡分散的方式制作样品。x射线吸收与质量密度有关，因此必须统一准备样品。否则，会严重影响定量结果的再现性。07.06.2020，34，X射线衍射分析，XRD相定性分析相定量分析粒度确定原理介孔结构确定；多层膜分析材料状态识别，07.06.2020，35，颗粒大小确定原理，用XRD测量纳米材料粒度的原理基于衍射线的宽度与材料颗粒大小相关的现象。使用XRD测量晶粒大小有一定的限制条件，一般而言，如果晶粒大于100nm，则衍射峰的宽度对晶粒大小不敏感。如果模小于10nm，则随着粒子大小的减小，衍射峰将大大扩大。采样的粒子大小可以使用Scherrer公式计算。07.06.2020，36，入射x射线的波长是衍射hkl的布拉格角hkl是衍射hkl的半峰宽度(以弧度为单位)。使用Scherror公式确定晶粒大小的应用范围为5 nm 300 nm。07.06.2020，37、小角度x射线衍射测量介孔结构，小角度x射线衍射峰可用于研究纳米介孔材料的介孔结构。这是目前测量纳米介孔材料结构的最有效方法之一。介孔材料能制造非常规则的孔，因此可以看作是周期结构，样品反映了小角区域衍射峰上孔周期的大小。该方法无法获得不规则介孔材料的孔阵列周期性信息。07.06.2020，38，对多层膜的研究，纳米多层膜材料中两种薄膜层材料反复叠加，形成调制界面。x射线入射时周期好的调制界面与胶片表面平行的晶面一样，满足布拉格方程时产生一致的衍射。多层膜的调制周期比普通金属和小分子化合物的最大晶面间距大得多，因此，在焚化区域只能观察由烧酒多层膜调制接口生成的x射线衍射峰。制造好的烧酒纳米多层可以用焚烧XRD