纳米材料-第二章 纳米材料的表征方法ppt课件

第二章纳米材料的表现方法，纳米材料nanomaterals，纪框1326193220化学工业化学系，一.表现概要二.显微技术三.衍射技术四.分光技术五.粒度表现，主要内容，纳米材料nanomaterals，一.表现概要，一.材料表现的目的和任务，表现的目的材料的性能取决于材料的结构，只要能找到纳米材料的结构与性能的关系，得到制造条件影响材料结构的信息，就可以利用这些信息建立计算机模型，预测纳米结构性能制造条件的关系。 特征主要任务：(1)用纳米尺度分析(0.1100nm )纳米结构材料和器件的组成、结构(2)探索新现象，发展新材料和新器件。 纳米材料Nanomaterials，2 .纳米检测的发展，20世纪60年代电子显微镜技术(TEM，SEM等) 20世纪80年代扫描隧道显微镜技术(AFM)20世纪90年代扫描探针显微镜(SPM )技术移动原子构成纳米结构模式，本世纪初纳米材料Nanomaterials，3 .常用特征技术，显微技术： TEM、SEM、STM、AFM分析纳米材料的粒度和形态衍射技术： x射线衍射(XRD )，电子衍射(ERD )。 分析结构光谱技术：光谱(EDS )、俄歇电子光谱(AES )、x射线光电子光谱(XPS )分析成分和表/界面光谱技术：红外光谱(IR )、拉曼光谱。 分析成分和表/界面以外：比表面分析(BET )等纳米材料Nanomaterials，二.显微技术，1.TEM (透射电子显微镜)的工作原理：用高能电子(50-200keV )透过样品，以短波长的电子束为照明源，样品其成像原理与光学显微镜相似。 这些根本差异是光学显微镜以可见光为照明光束，透射电子显微镜以电子为照明光束。 用光学显微镜将可见光聚焦成像的是玻璃透镜，在电子显微镜中那是磁透镜。 纳米材料nanomaterals、TEM仪器图像、纳米材料nanomaterals，为什么采用电子束而不是自然光？ 显微镜的分辨率自然光和电子束波长的有效倍率，纳米材料nanomaterals，显微镜的分辨率，通常人眼分辨率约0.2mm (即人眼能分辨的两点间的最小距离为0.2mm )显微镜能分辨的两点间的最小距离，显微镜的分辨率， 纳米材料纳米，自然光和电子束的波长可见光的波长为390760nm的电子波长：V=100kV，理论上得到了电子波长为0.0037nm，纳米材料纳米， 如果考虑采用物镜孔径角约为90度、可见光波长界限390nm的光束照明显微镜系统，则d约为200nm，相对于TEM为100kV的加速电压，波长为0.0037nm d约为0.002nm，现在电子显微镜没有达到其理论界限分辨率，最小分辨率为0.1nm 结论根据显微镜的分辨率和光源的波长，透射电子显微镜的放大倍率一般远大于普通光学显微镜，光学显微镜的最大倍率为2000倍左右，透射电子显微镜的倍率可达百万倍。 电磁透镜的分辨率比光学玻璃透镜提高了一千倍左右，达到了2级，可以观察物质纳米级的微观结构。 纳米材料nanomaterals，透射电子显微镜的结构原理，电子光学系统真空系统操作控制系统，纳米材料nanomaterals，电子光学系统，照明系统，图像形成系统，观察记录系统，纳米材料nanomaterals，照明系统，作用是提供光源(照明系统) 选择照明方式(明场或暗场拍摄)。、，阴极，控制极，阳极，电子束，聚光透镜，试料，(1)阴极，电子源：钨丝-热放出，束密度10A/cm2束点尺寸4nm，2 .场发射源，束密度100 为了安全操作，一般阳极接地，阴极带负高压。 -50200kV，控制纳米材料Nanomaterials，(3)极，控制使电子束会聚的电子束电流的大小，调节像的亮度。 阴极、阳极、控制极决定电子发射的数量及其动能，一般称为“电子枪”。 电子枪的重要性仅次于物镜。 决定像的亮度、图像的稳定度、透过样品的能力。 纳米材料Nanomaterials，(4)聚光透镜由于电子间的排斥力和阳极小孔的发散作用，电子束通过阳极后逐渐变粗，照射到样品上仍然过大。 聚光镜具有提高电子束密度的作用和再次收集发散的电子的作用。 多数是磁透镜，调节其电流，控制照明的亮度、照明的开口角、光束点的大小。 纳米材料Nanomaterials，(4)聚光镜，高性能TEM采用双聚光镜系统，提高照明效果。 纳米材料nanomaterals、成像系统、照明系统、成像系统、观察记录系统、纳米材料nanomaterals； (1)物镜、物镜使试样成为一次放大像和衍射光谱。 为了决定透射电子显微镜的分辨率，要求尽可能高的分辨率、充分高的倍率、尽可能小的像差。 通常采用强励磁、短焦距的物镜。 倍率高，一般为100300倍。 目前，高质量物镜的分辨率达到0.1nm左右。 纳米材料Nanomaterials，(2)中间镜、中间镜是弱磁性透镜，其功能是将由物镜形成的一次中间像和衍射光谱投影到投影镜的物体面上，通过投影镜放大到最终平面(荧光屏)。 利用弱励磁的长焦距变倍镜头，可进行020倍的调整。 用电子显微镜控制全倍率，用m表示倍率，等于成像系统的各透镜的倍率的积。 也就是说，需要提到可以增加中间镜的数量来增加倍率，但是当达到显微镜的有效倍率时，增加中间镜的数量变得无用时，显微镜能够提供的分辨率已经达到了极限，因此，即使继续放大，也无法识别更密切的两点。 纳米材料Nanomaterials，(3)投影镜、投影镜的功能是将中间镜形成的二次像和衍射光谱放大到荧光屏，成为样品的最终放大像和衍射光谱。 和物镜一样，是短焦距强磁性透镜。 但是，对投影透镜的精度的要求并不像物镜那么严格。 这是因为只将物镜形成的像第三次放大。 有大的场深和焦点深度，场深是指以像清晰为前提，样品在物平面的上下可以沿镜轴移动的距离，或者样品超过了物平面允许的厚度。 焦点深度是指像平面可以沿反射镜轴移动的距离，或屏幕或照片原版可以沿反射镜轴移动的距离，前提是图像很清楚。 纳米材料纳米、成像系统和成像系统两个基本操作是将衍射图案和图像投影到荧光屏上。 (a )若调整中间镜的透镜电流，使中间镜的物平面与物镜的后焦点面重叠，则在后焦点面上形成的衍射点被中间镜进一步放大，经由投影镜投影到荧光屏上，获得衍射图案。 (b )由于物镜在中间镜前成像，所以中间镜以物镜为物，所成像的图像在投影镜前会聚，投影镜以中间镜为物来投影。 纳米材料Nanomaterials、成像系统、材料研究中，希望明确小区域的结构和形态，并观察显微镜图像(形态)和衍射图案(分析结构)。 衍射状态和成像状态的转换是通过改变中间镜的励磁电流来实现的。 观察显微镜图像，切换为衍射模式。纳米材料nanomaterals、电子光学系统、照明系统、图像形成系统、观察记录系统、纳米材料nanomaterals、观察记录系统，该部分的主要作用是获得信息，通常由荧光屏、相机、数据显示等构成由真空系统、机械泵、扩散泵组成的控制阀门和仪表结构的是避免电子和气体分子的相遇，防止干扰，减少样品污染，延长灯丝寿命，纳米材料Nanomaterials，操作控制系统， 提供镜头组件线圈的电流电压，电流电压稳定，防止电压变动引起的色差，影响分辨率，提供各种操作模式的选择和切换的系统警报和自动保护装置纳米材料Nanomaterials，透射电子显微镜样品的制造，TEM的应用深度和范围在一定程度上能否充分发挥电子显微镜的作用，样品的制造很重要，必须根据不同设备的要求和样品的特征选择合适的制造方法。 电子束透过固体试料的能力主要依赖于电压v和试料物质的原子编号z。 一般来说，v越高，z越低，电子束能透过的样品的厚度越大。 纳米材料纳米显微镜样品的制备、样品制备要求：对a.tem常用的50200kV的电子束，样品的厚度控制在100200nm，样品通过铜网负载，放入样品台上，放入样品室b .样品制备过程必须防止污染，改变样品的性质。 例如，根据机械损伤和热损伤等c .观察的目的和样品的性质，决定样品调制方法。 纳米材料nanomaterals，透射电子显微镜样品的调制，样品调制方法a .粉末法b .化学减薄法c .双喷雾电解减薄法d .离子减薄法e .复合法，纳米材料nanomaterals .透射电子显微镜样品的调制，粉末法1 .主要原状态为粉末的样品2 .样品制备过程中几乎不破坏样品，除了观察样品结构外，还可以研究其形状、凝聚状态和粒度分布。 纳米材料Nanomaterials、透射电子显微镜样品的调制、样品调制工序： a .将粉碎样品的b .粉体投入液体中，用超声波使悬浊液振动，液体也可以是水、甘油、醇等，根据样品粉体的性质不同，c .观察时，将悬浊液滴加到带支撑膜的铜网中纳米材料Nanomaterials，透射电子显微镜样品的制备，化学减薄法1 .该法是利用化学溶液在物质中的溶解作用来减少样品的目的。 2 .由于通常采用硝酸、盐酸、氢氟酸等强酸作为化学减薄液，所以样品的减薄速度相当快。 纳米材料Nanomaterials .透射电子显微镜样品的制备、样品制备工序： a .将样品切片，在边缘涂上耐酸性涂料，防止边缘溶解快，薄片面积变小的b .薄片清洗，去除油污，清洗液用酒精， 将有丙酮等的c .样品悬浮在化学减薄液中，检查减薄的d .样品的厚度，旋转样品的角度，使其变薄多次，直到达到理想的厚度。 纳米材料Nanomaterials，透射电子显微镜样品的制造，化学减薄法的缺点：1.减薄液与样品反应，发热冒烟2 .难以控制减薄速度3 .不适合溶解度差大的混合物样品。 纳米材料Nanomaterials，透射电子显微镜样品的制备，双喷雾电解减薄法1 .该方法通过电解液对金属样品的腐蚀，达到了减薄目的。 2 .薄化工序： a .用化学薄化机或机械研磨成薄片，冲裁成直径3mm的晶片，研磨成薄的b .样品，打开电源c .样品穿孔后，光导控制系统自动关闭电源，发出警报。 此时请关闭电源，立即清洗样品，减少腐蚀和污染。 纳米材料Nanomaterials .透射电子显微镜样品的制备，双喷雾电解减薄法，缺点：仅适用于金属导体，对不通电的样品无力。纳米材料纳米显微镜样品的制备，离子减薄法1 .用高能氩离子流使样品碰撞，使表面原子不断剥离，达到减薄的目的。 2、主要用于陶瓷、矿物材料等非金属块状样品。 制作纳米材料Nanomaterials，透射电子显微镜样品，用手或机器把样品打磨成3050m。 用环氧树脂把铜网粘在样品上，用镊子剪下比铜网周围大的样品。 将样品放入薄器中变薄，变薄时的工作电压为5kV，电流为0.1mA，样品倾斜角为15样品穿孔后，大厅周围的厚度可以满足电子显微镜对样品的观察需求。 非金属的导电性差，所以在观察前进行向样品喷涂碳的处理，防止电荷的积蓄。 优点：容易控制，可以提供大面积薄的区域。 缺点：速度慢，样品薄需要十几个小时到十几个小时。 试样调制工序：纳米材料Nanomaterials，透射电子显微镜样品的调制，复合法a .复制物体表面特征的试样调制方法。 b .将物体表面的凹凸波纹度转换为复合材料的厚度差异，用电子显微镜观察，目的是将该差异转换为透射电子显微镜图像的对比度的高低。 c .表面显微组织凸版的复合膜只能进行形态观察和研究，只能研究样品的成分分布和内部结构。 d .相同的试验片，方法不同，复合像和像的强度分布的差异大，所以必须根据选择的方法正确地解释图像。 纳米材料Nanomaterials .透射电子显微镜样品的制备，复合材料必须是a .复合材料本身不在电子显微镜下显示结构，非晶物质。 b .有一定的强度和硬度，容易成形和保存，不易破损。 c .具有良好的导电性和导热性，在电子束的照射下性质稳定。 纳米材料nanomaterals，透射电子显微镜样品的调制，复合型塑料一次复合型碳一次复合型塑料-碳二次复合型提取复合型，纳米材料nanomaterals，透射电子显微镜样品的调制，分辨率1-2nm，电子射线照射容易分解和破裂。塑料的一次复合型、样品上滴加浓度为1%的黄酮醇乙酸齐醇溶液或乙酸纤维素丙酮溶液，在样品表面平整，用滤纸吸收多馀的溶液，溶剂蒸发后，在样品表面留下100nm左右的塑料膜。 印章表面具有与样品表面相反的特征。 制作纳米材料Nanomaterials，透射电子显微镜样品，将碳一次复合样品放入真空蒸镀装置中，垂直方向在样品表面蒸镀数十纳米的碳膜。 优点：图像分辨率高2-5nm，导电性好，电子束照射稳定的缺点：难以从样品上剥离碳膜，纳米材料Nanomaterials，透射电子显微镜样品的制作，塑料-碳二次复合型首先用塑料进行一次复合型用试剂溶解一次复型，二次复型称为二次复型。 为了提高对比度，可以以15-45度的角度喷涂Cr