纳米科技概论(测试与表征)

1、纳米科技概论纳米科技概论-5，2014学年冬学期学年冬学期纳米科学技术概论纳米科学技术概论纳米材料检测与表征（纳米材料检测与表征（5）纳米科技概论纳米科技概论-5，2014学年冬学期学年冬学期纳米材料检测与表征纳米材料检测与表征一、纳米材料的检测与表征基础一、纳米材料的检测与表征基础二、纳米材料表征技术概述二、纳米材料表征技术概述三、几种重要的纳米表征技术三、几种重要的纳米表征技术四、纳米检测与表征技术的标准化四、纳米检测与表征技术的标准化纳米科技概论纳米科技概论-5，2014学年冬学期学年冬学期纳米科技概论纳米科技概论-5，2014学年冬学期学年冬学期一、纳米材料的检测与表征基础（一、纳米材

2、料的检测与表征基础（1）n1、纳米检测与表征的概念、纳米检测与表征的概念n2、纳米检测与表征的内容、纳米检测与表征的内容n3、纳米检测与表征技术的分类、纳米检测与表征技术的分类n4、纳米检测与表征技术的发展、纳米检测与表征技术的发展纳米科技概论纳米科技概论-5，2014学年冬学期学年冬学期一、纳米材料的检测与表征基础（一、纳米材料的检测与表征基础（2）n1、纳米检测与表征的概念、纳米检测与表征的概念n1）纳米表征的定义（两方面内容）：）纳米表征的定义（两方面内容）：nA、运用相关分析、测试方法描述纳米结构、纳米尺度物、运用相关分析、测试方法描述纳米结构、纳米尺度物质的组成、结构特征、性质及应用

3、，以及相互关系的一门质的组成、结构特征、性质及应用，以及相互关系的一门测量技术学科测量技术学科n测试参数：测试参数：组成特性；结构特性；性质特性；组成特性；结构特性；性质特性；n测试原理：测试原理：物理学、化学知识与原理的应用；物理学、化学知识与原理的应用；n测试手段测试手段/方法：方法：测试工具的开发与应用测试工具的开发与应用nB、同时也包括测试、测量工具的研究与制造。、同时也包括测试、测量工具的研究与制造。n测试原理与技术的发展：测试原理与技术的发展：在传统测试技术之外，发现新现在传统测试技术之外，发现新现象、创造新技术：如象、创造新技术：如STM，AFM等等n测试仪器的制造：适合纳米尺度

4、物质表征的新仪器测试仪器的制造：适合纳米尺度物质表征的新仪器纳米科技概论纳米科技概论-5，2014学年冬学期学年冬学期一、纳米材料的检测与表征基础（一、纳米材料的检测与表征基础（3）n1、纳米检测与表征的概念、纳米检测与表征的概念n2）表征的实施：）表征的实施：n在假设或未知材料特性的参数情况下，实施测试试验得到相在假设或未知材料特性的参数情况下，实施测试试验得到相关特性参数。关特性参数。n了解测试对象：了解测试对象：各种纳米材料各种纳米材料/结构；结构；n掌握测试技术：掌握测试技术：各种测试原理、仪器、技术与操作；各种测试原理、仪器、技术与操作；n获得测试结果：获得测试结果：材料特性参数。材

5、料特性参数。n3）表征的结果（材料相关特性）表征的结果（材料相关特性/测试参数）：测试参数）：n获得材料的获得材料的组成特性、结构特性、性质特性组成特性、结构特性、性质特性；n对材料的使用特性进行评价；对材料的使用特性进行评价；n4）表征的目的：）表征的目的：n将材料的组成、结构及其与性质的关系完整而充分地表达出来，将材料的组成、结构及其与性质的关系完整而充分地表达出来，为材料的制造和使用获得基础数据。为材料的制造和使用获得基础数据。纳米科技概论纳米科技概论-5，2014学年冬学期学年冬学期一、纳米材料的检测与表征基础（一、纳米材料的检测与表征基础（4）n2、纳米检测与表征的内容、纳米检测与表

6、征的内容n1）按材料特性的内容分类：（最重要的分类方式！）按材料特性的内容分类：（最重要的分类方式！）nA、材料的、材料的组成组成特性特性n构成纳米材料的化学元素及其相互关系构成纳米材料的化学元素及其相互关系nB、材料的、材料的结构结构特性：特性：n材料的几何学、物质相组成、物质相形态等材料的几何学、物质相组成、物质相形态等n空间尺度上，分为电子、原子空间尺度上，分为电子、原子/分子、晶体显微结构等多层次结构分子、晶体显微结构等多层次结构n宏观结构与材料性能取决于微观结构特征宏观结构与材料性能取决于微观结构特征nC、材料的、材料的性质性质特性：特性：n材料的力学、热学特性材料的力学、热学特性（

7、电子、原子、晶体显微结构等）、（电子、原子、晶体显微结构等）、n光学、磁学、电学特性光学、磁学、电学特性（电子、晶体显微结构等）、（电子、晶体显微结构等）、n化学、生物学特性等化学、生物学特性等（电子、原子、晶体表面结构等）（电子、原子、晶体表面结构等）纳米科技概论纳米科技概论-5，2014学年冬学期学年冬学期一、纳米材料的检测与表征基础（一、纳米材料的检测与表征基础（5）n2、纳米检测与表征的内容、纳米检测与表征的内容n2）按材料的形态特征的内容分类：）按材料的形态特征的内容分类：nA、（零维）纳米量子点：、（零维）纳米量子点：nB、（一维）纳米线、纳米管、（一维）纳米线、纳米管/腔：腔：n

8、C、（二维）纳米薄膜：、（二维）纳米薄膜：nD、（三维）纳米块材：、（三维）纳米块材：n3）按材料的结构群状态的分类）按材料的结构群状态的分类n单个结构的纳米材料：单个结构的纳米材料：单个纳米点单个纳米点/量子点；单根纳米线等量子点；单根纳米线等n涉及最基本的纳米物理、化学原理；涉及最基本的纳米物理、化学原理；n需要专门的技术：如单根纳米线的力学、电学、光学性能等需要专门的技术：如单根纳米线的力学、电学、光学性能等n聚集结构的纳米材料：聚集结构的纳米材料：纳米粉体；纳米线阵列纳米粉体；纳米线阵列n较常见的纳米表征，涉及范围很宽较常见的纳米表征，涉及范围很宽n复合结构的纳米材料：复合结构的纳米材

9、料：纳米陶瓷；纳米金属块等纳米陶瓷；纳米金属块等n较多采用了传统的表征技术。较多采用了传统的表征技术。纳米科技概论纳米科技概论-5，2014学年冬学期学年冬学期一、纳米材料的检测与表征基础（一、纳米材料的检测与表征基础（6）n2、纳米检测与表征的内容、纳米检测与表征的内容n4）材料的组成、）材料的组成、结构与性能相互关结构与性能相互关系：系：n组成与结构没有直组成与结构没有直接的因果关系；接的因果关系；n组成和结构决定了组成和结构决定了材料的性能；材料的性能；n发展新材料，需要发展新材料，需要对材料进行检测与对材料进行检测与表征的研究，获得表征的研究，获得相关信息相关信息性能性能结构结构合成合

10、成组成组成纳米科技概论纳米科技概论-5，2014学年冬学期学年冬学期一、纳米材料的检测与表征基础（一、纳米材料的检测与表征基础（7）n3、纳米检测与表征的技术分类、纳米检测与表征的技术分类n1）按表征技术的先进性的分类：）按表征技术的先进性的分类：n传统的测试与表征技术：如传统的测试与表征技术：如XRD、SEM、颗粒分析仪等、颗粒分析仪等n新型的测试与表征技术：如新型的测试与表征技术：如STM、AFM、HRTEM、FE-SEM等等n2）按表征技术的特点的分类：）按表征技术的特点的分类：n常规的表征技术：常规的表征技术：n纳米尺度的表征与操纵技术：纳米尺度的表征与操纵技术：n纳米纳米-微米加工与

11、制造技术：微米加工与制造技术：n3）按表征技术的表征内容的分类：）按表征技术的表征内容的分类：n纳米材料的纳米材料的粒度粒度表征技术：表征技术：n纳米材料的纳米材料的形貌形貌表征技术：表征技术：n纳米材料的纳米材料的成分成分表征技术：表征技术：n纳米材料的纳米材料的结构结构表征技术：表征技术：n纳米材料的纳米材料的表面与界面表面与界面表征技术：表征技术：n纳米材料的纳米材料的性能性能表征技术：表征技术：纳米科技概论纳米科技概论-5，2014学年冬学期学年冬学期一、纳米材料的检测与表征基础（一、纳米材料的检测与表征基础（8）纳米科技概论纳米科技概论-5，2014学年冬学期学年冬学期一、纳米材料的

12、检测与表征基础（一、纳米材料的检测与表征基础（9）纳米科技概论纳米科技概论-5，2014学年冬学期学年冬学期一、纳米材料的检测与表征基础（一、纳米材料的检测与表征基础（10）n3、纳米检测与表征的技术分类、纳米检测与表征的技术分类纳米科技概论纳米科技概论-5，2014学年冬学期学年冬学期一、纳米材料的检测与表征基础（一、纳米材料的检测与表征基础（11）n4、纳米检测与表征技术的发展、纳米检测与表征技术的发展n1）纳米测量仪器系统构成：）纳米测量仪器系统构成：nA、纳米传感系统；、纳米传感系统；nB、二维（三维）扫描工作台及其测量控制系统（扫描测试系统）；、二维（三维）扫描工作台及其测量控制系统

13、（扫描测试系统）；nC、信息处理与图象分析技术、信息处理与图象分析技术n2）纳米测量的关键技术：）纳米测量的关键技术：nA、新型纳米测量原理、纳米测量方法的研究；、新型纳米测量原理、纳米测量方法的研究；nB、新兴纳米测量系统的开发、设计与制造；、新兴纳米测量系统的开发、设计与制造；特别关注以下方面的技术：特别关注以下方面的技术：n仪器测量的重复性、分辨率仪器测量的重复性、分辨率/精度、动态范围三个指标精度、动态范围三个指标n纳米级纳米级/亚纳米级探针的制造技术；亚纳米级探针的制造技术；n微悬臂微悬臂-探针探针-样品之间相互作用模型的研究；样品之间相互作用模型的研究；n纳米测量系统中的恒值（如恒

14、作用力、恒电流）控制处理技术；纳米测量系统中的恒值（如恒作用力、恒电流）控制处理技术；n纳米测量涉及的尺寸定标技纳米测量涉及的尺寸定标技n纳米测量系统中的非线性补偿技术，如压电陶瓷的迟滞现象纳米测量系统中的非线性补偿技术，如压电陶瓷的迟滞现象nD、干涉、衍射图象的计算机图象处理技术、干涉、衍射图象的计算机图象处理技术nE、解决纳米测量环境因素影响的稳定技术：如环境温度、振动等、解决纳米测量环境因素影响的稳定技术：如环境温度、振动等纳米科技概论纳米科技概论-5，2014学年冬学期学年冬学期一、纳米材料的检测与表征基础（一、纳米材料的检测与表征基础（12）n4、纳米检测与表征技术的发展、纳米检测与

15、表征技术的发展n3）纳米测量原理的突破：）纳米测量原理的突破：nA、发展背景：、发展背景：n传统测试原理和技术不能完全满足纳米尺度测试要求传统测试原理和技术不能完全满足纳米尺度测试要求n纳米尺度的现象，大多不能用宏观物理原理与性质进行解释纳米尺度的现象，大多不能用宏观物理原理与性质进行解释nB、新的测量原理突破途径与技术实现：、新的测量原理突破途径与技术实现：n利用介观物理、量子物理中最新的研究成果利用介观物理、量子物理中最新的研究成果n隧道效应与隧道电流隧道效应与隧道电流n近场引力近场引力n现有技术赋予新的应用现有技术赋予新的应用n基于光学原理的测量：激光技术等的应用基于光学原理的测量：激光

16、技术等的应用n多种测量技术的综合应用多种测量技术的综合应用n光、机、电与计算机技术的结合光、机、电与计算机技术的结合n测量和控制技术的一体化测量和控制技术的一体化n其它技术的综合应用：其它技术的综合应用：纳米科技概论纳米科技概论-5，2014学年冬学期学年冬学期二、纳米材料表征技术概述二、纳米材料表征技术概述n1、粒度粒度分析技术简介分析技术简介n2、形貌形貌分析技术简介分析技术简介n3、成分成分分析技术简介分析技术简介n4、结构结构分析技术简介分析技术简介n5、表面与界面表面与界面分析技术简介分析技术简介纳米科技概论纳米科技概论-5，2014学年冬学期学年冬学期n1、粒度分析技术简介、粒度分

17、析技术简介n1）纳米颗粒的粒度分析的意义）纳米颗粒的粒度分析的意义n2）粒度分析技术种类及应用范围）粒度分析技术种类及应用范围n3）常用的微米粒度分析技术）常用的微米粒度分析技术n4）纳米粒度分析技术的进展）纳米粒度分析技术的进展n5）基于光散射的纳米粒度分析技术）基于光散射的纳米粒度分析技术n6）纳米颗粒的粒度分析要点）纳米颗粒的粒度分析要点纳米科技概论纳米科技概论-5，2014学年冬学期学年冬学期n1）纳米颗粒的粒度分析的意义：）纳米颗粒的粒度分析的意义：nA、纳米材料的颗粒大小与形状对材料性能有重要的作用；、纳米材料的颗粒大小与形状对材料性能有重要的作用；nB、在特定的粒度范围内才能出现

18、纳米材料的各种新奇特效应、在特定的粒度范围内才能出现纳米材料的各种新奇特效应n2）粒度分析技术种类与应用范围：）粒度分析技术种类与应用范围：nA、目前，有、目前，有200多种基于各种工作原理的粒度分析测量装置，多种基于各种工作原理的粒度分析测量装置，nB、大致的分类：、大致的分类：n传统微米颗粒的粒度测量：传统微米颗粒的粒度测量：n筛分法、沉降法、（光学、扫描电子）显微镜法；筛分法、沉降法、（光学、扫描电子）显微镜法；n现代现代纳米颗粒的粒度纳米颗粒的粒度测量测量：n透射电子显微镜图象分析法：透射电子显微镜图象分析法：n光子相干光谱法：光子相干光谱法： 1纳米纳米-5微米微米n激光光散射法：激

19、光光散射法： 20纳米纳米-3.5微米（低浓度）微米（低浓度）n电超声法：电超声法： 5纳米纳米-100微米（高浓度）微米（高浓度）纳米科技概论纳米科技概论-5，2014学年冬学期学年冬学期纳米科技概论纳米科技概论-5，2014学年冬学期学年冬学期n3）常用的微米颗粒粒度分析技术）常用的微米颗粒粒度分析技术nA、沉降法、沉降法(Sedimentation size analysis)：n测试原理：利用悬浮体系中的颗粒在重力、浮力和黏滞阻力三测试原理：利用悬浮体系中的颗粒在重力、浮力和黏滞阻力三者平衡状态下，以恒定速度沉降；者平衡状态下，以恒定速度沉降；n粒度大小：沉降速度与粒度大小的平方成正比

20、粒度大小：沉降速度与粒度大小的平方成正比n测试条件：颗粒形状接近球形、润湿、恒速沉降等测试条件：颗粒形状接近球形、润湿、恒速沉降等nB、显微镜法（、显微镜法（Microscopy）：）：n光学显微镜法：光学显微镜法：0.8-150微米微米n电子显微镜法：电子显微镜法：n扫描电镜（扫描电镜（SEM,Scanning Electron Microscopy）n透射电镜（透射电镜（TEM,Transmission Electron Microscopy）纳米科技概论纳米科技概论-5，2014学年冬学期学年冬学期n4）纳米粒度分析技术的进展：）纳米粒度分析技术的进展：nA、纳米颗粒的粒度测量技术发展趋

21、势：、纳米颗粒的粒度测量技术发展趋势：n更小尺寸、更宽范围更小尺寸、更宽范围n高精度、高重现性高精度、高重现性nB、纳米颗粒的粒度测量技术：、纳米颗粒的粒度测量技术：n透射电子显微镜法：透射电子显微镜法：n光子相干光谱法：光子相干光谱法：n激光光散射法：激光光散射法：n电超声法：电超声法：新技术；高浓度大范围测量（新技术；高浓度大范围测量（5纳米纳米-100微米）微米）纳米科技概论纳米科技概论-5，2014学年冬学期学年冬学期n5）基于光散射）基于光散射（Light scattering）的纳米粒度分析技术的纳米粒度分析技术n测量范围：测量范围：20纳米纳米 - 3.5微米微米n光与颗粒的作用

22、：光与颗粒的作用：n颗粒尺寸小于颗粒尺寸小于10 时，以光的散射为主；时，以光的散射为主；n颗粒尺寸大于颗粒尺寸大于10 时，以光的衍射为主时，以光的衍射为主n两类光散射法测量技术：两类光散射法测量技术：n静态光散射法：静态光散射法：(Statistic light scattering)n测量散射光的空间分布规律；测量散射光的空间分布规律；n可测量粒径分布可测量粒径分布n动态光散射法：动态光散射法：(Dynamic light scattering)n测量某个固定空间位置的散射光强度变化规律；测量某个固定空间位置的散射光强度变化规律；n又称光子相关光谱法（又称光子相关光谱法（Photon C

23、orrelation Spectroscopy）n动态法的局限：只能测得平均粒径，不能获得粒径分布参数动态法的局限：只能测得平均粒径，不能获得粒径分布参数n光散射法测量局限：光散射法测量局限：不能分析高浓度样品不能分析高浓度样品纳米科技概论纳米科技概论-5，2014学年冬学期学年冬学期纳米科技概论纳米科技概论-5，2014学年冬学期学年冬学期n5）纳米材料的粒度分析要点：）纳米材料的粒度分析要点： 分为分为一次粒子一次粒子和和二次粒子二次粒子两类结构（两类结构（团聚，团聚，原因？原因？）nA、一次粒子（无团聚的纳米粒子）的分析：、一次粒子（无团聚的纳米粒子）的分析：n电镜观测法（数据代表性的局

24、限）电镜观测法（数据代表性的局限）nB、二次粒子、二次粒子（有团聚的纳米粒子）的分析：（有团聚的纳米粒子）的分析：n光散射粒度分析法：低浓度样品的测试光散射粒度分析法：低浓度样品的测试n电超声粒度分析法：高浓度样品的测试电超声粒度分析法：高浓度样品的测试纳米科技概论纳米科技概论-5，2014学年冬学期学年冬学期多元硫化银多元硫化银贵金属复合结构贵金属复合结构纳米材料的透射电镜（纳米材料的透射电镜（TEM）照片）照片核核-壳结构催化剂纳米材料壳结构催化剂纳米材料的高分辨透射电镜（的高分辨透射电镜（HRTEM）照片）照片纳米科技概论纳米科技概论-5，2014学年冬学期学年冬学期二、纳米材料表征技术

25、概述二、纳米材料表征技术概述n2、形貌分析技术简介、形貌分析技术简介n1）形貌分析的意义：）形貌分析的意义：n2）形貌分析技术种类与使用范围：）形貌分析技术种类与使用范围：n3）形貌分析的新进展：）形貌分析的新进展：n4）纳米材料的形貌分析原理）纳米材料的形貌分析原理纳米科技概论纳米科技概论-5，2014学年冬学期学年冬学期二、纳米材料表征技术概述（二、纳米材料表征技术概述（10）n2、形貌分析技术简介、形貌分析技术简介n1）形貌分析的意义：）形貌分析的意义：nA、纳米材料形貌具有非常重要的作用：纳米点、纳米线，纳米管、纳米材料形貌具有非常重要的作用：纳米点、纳米线，纳米管nB、形貌分析包括：

26、几何形貌、颗粒度与分布、微区成分与物相、形貌分析包括：几何形貌、颗粒度与分布、微区成分与物相n2）形貌分析技术种类与使用范围）形貌分析技术种类与使用范围nA、扫描电子显微镜（、扫描电子显微镜（SEM）nB、透射电子显微镜（、透射电子显微镜（TEM）nC、扫描隧道显微镜（、扫描隧道显微镜（STM）nD、原子力显微镜（、原子力显微镜（AFM）低维纳米材料与大块材料都可以分析低维纳米材料与大块材料都可以分析测试信息：几何形貌、颗粒分散状态、测试信息：几何形貌、颗粒分散状态、大小与分布、特定微区的元素组成与大小与分布、特定微区的元素组成与物相结构物相结构导电样品的导电样品的形貌状态形貌状态与与电子结构

27、状态电子结构状态导电和非导电样品样品的形貌状态导电和非导电样品样品的形貌状态纳米科技概论纳米科技概论-5，2014学年冬学期学年冬学期二、纳米材料表征技术概述（二、纳米材料表征技术概述（11）n2、形貌分析技术简介、形貌分析技术简介n3）形貌分析的新进展：）形貌分析的新进展：nA、扫描电镜（、扫描电镜（SEM）的发展：）的发展：n低压扫描电镜（高分辨率）：低压扫描电镜（高分辨率）：1000V，分辨率为，分辨率为10纳米纳米n环境扫描电镜：可分析不导电样品，含水生物样品环境扫描电镜：可分析不导电样品，含水生物样品n不需要一般电镜的不需要一般电镜的10-3Pa的高真空要求的高真空要求n不需要对样品

28、表面进行金属化处理（镀金或镀碳）不需要对样品表面进行金属化处理（镀金或镀碳）n可在各种反应气氛下（基本没有真空度的要求）工作可在各种反应气氛下（基本没有真空度的要求）工作n可在不同温度下（高温）工作可在不同温度下（高温）工作nB、基于扫描隧道显微镜（、基于扫描隧道显微镜（STM）原理发展了一系列的新技术：）原理发展了一系列的新技术：n扫描探针显微镜（扫描探针显微镜（SPM）：）：n磁力显微镜（磁力显微镜（MFM）：）：n弹道电子发射显微镜（弹道电子发射显微镜（BEEM）：）：n光子扫描隧道显微镜（光子扫描隧道显微镜（PSTM）：）：n扫描电容显微镜（扫描电容显微镜（SCAM）：）：n电化学电化

29、学STM：n扫描近场光学显微镜（扫描近场光学显微镜（SNOM）利用探针与样品的不同物理作用，探测表利用探针与样品的不同物理作用，探测表面或者界面在纳米尺度上表现出的物理性面或者界面在纳米尺度上表现出的物理性质和化学性质，各有其适用范围和优势。质和化学性质，各有其适用范围和优势。分辨率达到光波长的十几分之一分辨率达到光波长的十几分之一溶液条件测试非常优越：生物、电子、化学溶液条件测试非常优越：生物、电子、化学纳米科技概论纳米科技概论-5，2014学年冬学期学年冬学期SBA-15介孔分子筛 放大倍率放大倍率10万万 有序介孔材料结构与制备示意图纳米科技概论纳米科技概论-5，2014学年冬学期学年冬

30、学期SBA-15介孔分子筛 放大倍率放大倍率20万万 纳米科技概论纳米科技概论-5，2014学年冬学期学年冬学期二、纳米材料表征技术概述（二、纳米材料表征技术概述（12）n2、形貌分析技术简介、形貌分析技术简介n4）纳米材料的形貌分析原理：）纳米材料的形貌分析原理：图图2 .2 电子束在样品中的散射示意图电子束在样品中的散射示意图纳米科技概论纳米科技概论-5，2014学年冬学期学年冬学期二、纳米材料表征技术概述（二、纳米材料表征技术概述（13）n2、形貌分析技术简介、形貌分析技术简介n4）纳米材料的形貌分析原理：）纳米材料的形貌分析原理：STM测试技术原理测试技术原理针尖和样品的距离在针尖和样

31、品的距离在1nm1nm左右或更小左右或更小恒高模式：高度不变，恒高模式：高度不变，记录隧道电流，通过电记录隧道电流，通过电流大小反应高度变化。流大小反应高度变化。限制：对样品表面要求限制：对样品表面要求很高。很高。恒电流模式：遂道电流恒电流模式：遂道电流不变，记录针尖的上下不变，记录针尖的上下运动轨迹。运动轨迹。纳米科技概论纳米科技概论-5，2014学年冬学期学年冬学期二、纳米材料表征技术概述（二、纳米材料表征技术概述（14）n3、成分分析技术简介、成分分析技术简介n1）成分分析的意义：）成分分析的意义：n2）成分分析技术种类与使用范围：）成分分析技术种类与使用范围：纳米科技概论纳米科技概论-

32、5，2014学年冬学期学年冬学期二、纳米材料表征技术概述（二、纳米材料表征技术概述（15）n1）成分分析的意）成分分析的意义：义：nA、纳米材料的性、纳米材料的性质与材料的化学成质与材料的化学成分与结构具有密切分与结构具有密切关系关系nB、成分分析包括：、成分分析包括：元素组成、杂质种元素组成、杂质种类与浓度及分布、类与浓度及分布、微区成分微区成分n3、成分分析技术简介、成分分析技术简介纳米科技概论纳米科技概论-5，2014学年冬学期学年冬学期二、纳米材料表征技术概述（二、纳米材料表征技术概述（16）n3、成分分析技术简介、成分分析技术简介n2）成分分析技术种类与使用范围）成分分析技术种类与使

33、用范围nA、按照分析浓度的技术分类、按照分析浓度的技术分类n微量样品分析：微量样品分析：微克级样品，或者单个纳米粒子微克级样品，或者单个纳米粒子/纳米线样品纳米线样品n痕量成分分析：痕量成分分析：待测成分含量极低（待测成分含量极低（PPM）的测试技术）的测试技术nB、按照分析目的的技术分类、按照分析目的的技术分类n体相元素成分分析：体相元素成分分析：整个样品的成分整个样品的成分n表面元素成分分析：表面元素成分分析：表面区域的成分表面区域的成分n微区元素成分分析：微区元素成分分析：特定区域的成分特定区域的成分纳米科技概论纳米科技概论-5，2014学年冬学期学年冬学期二、纳米材料表征技术概述（二、

34、纳米材料表征技术概述（17）n3、成分分析技术简介、成分分析技术简介n2）成分分析技术种类与使用范围）成分分析技术种类与使用范围nC、按照分析手段的技术分类、按照分析手段的技术分类n光谱分析技术：光谱分析技术：n原子吸收光谱（原子吸收光谱（AAS）、原子发射光谱（）、原子发射光谱（ICP-OES）、）、X射射线荧光光谱（线荧光光谱（XFS）和和X射线衍射光谱分析法（射线衍射光谱分析法（XRD）n质谱分析技术：质谱分析技术：n二次离子质谱法（二次离子质谱法（SIMS）、）、电感耦合等离子体质谱（电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）n能谱分析技术：能谱分析技术：nX射线光电子能谱（射线光电子能谱（

35、XPS）、俄歇电子能谱法（）、俄歇电子能谱法（AES）、电）、电镜镜-能谱（能谱（EDS）纳米科技概论纳米科技概论-5，2014学年冬学期学年冬学期二、纳米材料表征技术概述（二、纳米材料表征技术概述（18）n3、结构分析技术简介、结构分析技术简介n1）结构分析的意义：）结构分析的意义：n2）结构分析技术种类与使用范围：）结构分析技术种类与使用范围：n3）结构分析的新进展：）结构分析的新进展：纳米科技概论纳米科技概论-5，2014学年冬学期学年冬学期二、纳米材料表征技术概述（二、纳米材料表征技术概述（19）n3、结构分析技术简介、结构分析技术简介n1）结构分析的意义：）结构分析的意义：nA、纳米

36、材料的性质与材料结构密切相关、纳米材料的性质与材料结构密切相关nB、纳米效应（量子限域、小尺寸、表面、宏观隧道效应）均与纳米、纳米效应（量子限域、小尺寸、表面、宏观隧道效应）均与纳米材料的结构特征有关联材料的结构特征有关联nC、结构分析包括：、结构分析包括：n物相结构分析：物相结构分析：分子与晶体的物相结构类型、晶内缺陷与晶体完整性、分子与晶体的物相结构类型、晶内缺陷与晶体完整性、n组成结构分析：组成结构分析：晶粒、晶界和相界面的组成及分布等组成结构特征、晶粒、晶界和相界面的组成及分布等组成结构特征、n缺陷结构分析：缺陷结构分析：晶内、晶界等层次的各种杂质与缺陷及其分布结构特征晶内、晶界等层次

37、的各种杂质与缺陷及其分布结构特征纳米科技概论纳米科技概论-5，2014学年冬学期学年冬学期二、纳米材料表征技术概述（二、纳米材料表征技术概述（20）n3、结构分析技术简介、结构分析技术简介n2）结构分析技术种类与使用范围）结构分析技术种类与使用范围nA、X-射线衍射分析技术（射线衍射分析技术（XRD，X-Ray Diffraction）：）：n测试原理：测试原理：基于样品对基于样品对X射线的衍射效应，分析样品中各组分射线的衍射效应，分析样品中各组分的存在形态的存在形态（各原子排列面组成的光栅结构，对（各原子排列面组成的光栅结构，对X射线产生衍射线产生衍射效应）射效应）n测定内容：测定内容：组分

38、的结晶情况、所属的物相结构类型与种类、各组分的结晶情况、所属的物相结构类型与种类、各种元素在晶体中的价态、成键状态等种元素在晶体中的价态、成键状态等n缺点：缺点：灵敏度较低；样品量大；非晶样品无法分析等灵敏度较低；样品量大；非晶样品无法分析等nB、激光拉曼分析技术：、激光拉曼分析技术：n测试原理：测试原理：基于光子与样品分子发生了能量交换，入射光波频基于光子与样品分子发生了能量交换，入射光波频率改变的拉曼效应，对样品的分子结构率改变的拉曼效应，对样品的分子结构/价键结构进行分析价键结构进行分析n测定内容：测定内容：无机键的振动方式与结构、元激发（电子、声子、无机键的振动方式与结构、元激发（电子

39、、声子、等离子体）、杂质、缺陷等等离子体）、杂质、缺陷等纳米科技概论纳米科技概论-5，2014学年冬学期学年冬学期二、纳米材料表征技术概述（二、纳米材料表征技术概述（21）n3、结构分析技术简介、结构分析技术简介n2）结构分析技术种类与使用范围）结构分析技术种类与使用范围nC、微区电子衍射分析技术：、微区电子衍射分析技术：n测试原理：测试原理：基于样品对电子的衍射效应，分析样品中各微区基于样品对电子的衍射效应，分析样品中各微区的物相结构及取向关系（各原子排列面组成的光栅结构，对的物相结构及取向关系（各原子排列面组成的光栅结构，对电子产生衍射效应）电子产生衍射效应）n测试内容：测试内容：研究微区

40、物相结构及取向关系、内部及表面结构、研究微区物相结构及取向关系、内部及表面结构、材料的微区结构缺陷、可获得特定区域的形貌特征、组成及材料的微区结构缺陷、可获得特定区域的形貌特征、组成及晶体结构与缺陷的一一对应分析。晶体结构与缺陷的一一对应分析。n技术特点：技术特点：微小区域的分析；需要制备薄膜样品；信息获取微小区域的分析；需要制备薄膜样品；信息获取时间短（电子散射比时间短（电子散射比X射线强射线强100万倍）；应用广泛（表面万倍）；应用广泛（表面吸附、腐蚀、催化、外延生长、表面处理等）吸附、腐蚀、催化、外延生长、表面处理等）纳米科技概论纳米科技概论-5，2014学年冬学期学年冬学期二、纳米材料

41、表征技术概述（二、纳米材料表征技术概述（22）n3、结构分析技术简介、结构分析技术简介n3）结构分析的新进展）结构分析的新进展nA、纳米结构的研究几乎已经涉及全部物质结构分析测试的仪器、纳米结构的研究几乎已经涉及全部物质结构分析测试的仪器nX-射线吸收精细结构谱（射线吸收精细结构谱（XAFS）、高分辨透射电镜（）、高分辨透射电镜（HRTEM），扫描探针），扫描探针显微镜（显微镜（SPM，以及，以及STM、AFM）、场离子显微镜（）、场离子显微镜（FIM）、正电子湮灭仪）、正电子湮灭仪（PA）、中子衍射仪、原子吸收光谱、质谱、电子能谱仪、俄歇电子谱仪等：）、中子衍射仪、原子吸收光谱、质谱、电子能

42、谱仪、俄歇电子谱仪等：nB、X-射线吸收精细结构谱（射线吸收精细结构谱（XAFS）：）：n近近20年发展起来的研究物质近邻结构的一种有效手段年发展起来的研究物质近邻结构的一种有效手段nC、高分辨透射电镜：、高分辨透射电镜：n原子级的分辨率显示原子排列与化学成分原子级的分辨率显示原子排列与化学成分nD、扫描隧道显微镜：、扫描隧道显微镜：n材料表面与近表面的原子排列与电子结构材料表面与近表面的原子排列与电子结构nE、低能电子显微镜：、低能电子显微镜：n显示表面缺陷结构等显示表面缺陷结构等纳米科技概论纳米科技概论-5，2014学年冬学期学年冬学期氮元素掺杂碳包覆的氮元素掺杂碳包覆的Li4Ti5O12

43、的表征结果：的表征结果：(A)为透射电镜图片，可以看为透射电镜图片，可以看出颗粒表面形成了均匀的无定型包覆层；出颗粒表面形成了均匀的无定型包覆层；(B)为包覆前后样品的为包覆前后样品的XPS，包，包覆后出现了氮元素的峰。覆后出现了氮元素的峰。纳米科技概论纳米科技概论-5，2014学年冬学期学年冬学期利用“自上而下”的液相激光熔蚀（Laser ablation in liquids, LAL）技术制备高分散、高活性的半导体锗纳米颗粒胶体溶液，胶体溶液中的锗纳米颗粒展现出了独特的自发生长行为和相变行为，以及尺寸依赖的化学还原特性。中科院合肥固体所，Sci. Rep. 2013, 3, 1741）。

44、 锗纳米颗粒能够进行自发的生长与相变，由最初的非晶态，逐渐演变成通常在锗高压实验中观察到的四方结构的中间亚稳相（Ge-III），最终转化为稳定的立方相（Ge-I）。这一过程与Ostwald（奥斯特瓦尔德）于1897年提出的Ostwald相变理论（Ostwald rule of stages）保持一致。该理论提及在材料结晶过程中，由初始的非晶态转变到最终热力学稳定态的过程中有可能会出现一个或数个中间相，此项发现为Ostwald相变理论提供了直接的实验证据。 纳米科技概论纳米科技概论-5，2014学年冬学期学年冬学期银纳米颗粒表面等离子体共振技术增强Er3+离子上转换发光强度的示意图The Jou

45、rnal of Physical Chemistry C，2011, 115, 2504025045 研究背景：研究背景：纳米金属颗粒具有非常独特的光、电、磁等特性。近年来，金属纳米颗粒的等离子体特性在波导、光电子电路以及传感器等领域得到了广泛研究和应用。 提高稀土离子上转换发光强度提高稀土离子上转换发光强度的研究：的研究：金属纳米颗粒掺入含稀土离子的玻璃中会产生表面等离子体共振效应（SPR），从而使稀土离子的上转换发光效率得到大幅度提高：上转换绿光（上转换绿光（527 nm）、绿光）、绿光（548 nm）和红光（）和红光（661 nm）分别）分别增强了大约增强了大约7.7、10.1和和6.5

46、倍倍 纳米科技概论纳米科技概论-5，2014学年冬学期学年冬学期二、纳米材料表征技术概述（二、纳米材料表征技术概述（23）n3、表面与界面分析技术简介、表面与界面分析技术简介n1）表面与界面分析的意义：）表面与界面分析的意义：n2）表面与界面分析技术种类与使用范围：）表面与界面分析技术种类与使用范围：纳米科技概论纳米科技概论-5，2014学年冬学期学年冬学期二、纳米材料表征技术概述（二、纳米材料表征技术概述（24）n3、表面与界面分析技术简介、表面与界面分析技术简介n1）表面与界面分析的意义：）表面与界面分析的意义：nA、表面与界面性质，对纳米材料特性、特别是纳米催化剂、纳米薄、表面与界面性质

47、，对纳米材料特性、特别是纳米催化剂、纳米薄膜及纳米电子器件等的特性有决定性的作用。膜及纳米电子器件等的特性有决定性的作用。nB、纳米效应（量子限域、小尺寸、表面、宏观隧道效应）均与纳米、纳米效应（量子限域、小尺寸、表面、宏观隧道效应）均与纳米材料的表面与界面结构特征有关联材料的表面与界面结构特征有关联nC、表面与界面分析包括：、表面与界面分析包括：n表面物相结构的分析：表面物相结构的分析：n元素组成与分布的分析：元素组成与分布的分析：n缺陷与化学状态的分析：缺陷与化学状态的分析：纳米科技概论纳米科技概论-5，2014学年冬学期学年冬学期二、纳米材料表征技术概述（二、纳米材料表征技术概述（25）

48、n3、表面与界面分析技术简介、表面与界面分析技术简介n2）表面与界面分析技术种类与使用范围）表面与界面分析技术种类与使用范围nA、X射线光电子能谱（射线光电子能谱（XPS）：应用占了）：应用占了50%左右左右n测试原理：测试原理：基于样品吸收基于样品吸收X射线（光子）后的光电离作用；射线（光子）后的光电离作用；X射射线激发产生的电离电子逸出样品成为光电子；光电子含有样品线激发产生的电离电子逸出样品成为光电子；光电子含有样品的成分、化学状态等信息。的成分、化学状态等信息。n测定内容：测定内容：适用于各种材料的分析，尤其是材料化学状态、涉适用于各种材料的分析，尤其是材料化学状态、涉及到化学信息领域

49、的分析和研究。及到化学信息领域的分析和研究。n特点：特点：n主要反映的样品表层主要反映的样品表层5纳米厚度范围内的信息纳米厚度范围内的信息n微区分辨率较差（光斑较大，数个平方毫米范围）微区分辨率较差（光斑较大，数个平方毫米范围）n元素的定量分析误差较大元素的定量分析误差较大纳米科技概论纳米科技概论-5，2014学年冬学期学年冬学期二、纳米材料表征技术概述（二、纳米材料表征技术概述（26）n3、表面与界面分析技术简介、表面与界面分析技术简介纳米科技概论纳米科技概论-5，2014学年冬学期学年冬学期二、纳米材料表征技术概述（二、纳米材料表征技术概述（27）n3、表面与界面分析技术简介、表面与界面分

50、析技术简介n2）表面与界面分析技术种类与使用范围）表面与界面分析技术种类与使用范围nB、俄歇电子能谱（、俄歇电子能谱（AES）：应用占了）：应用占了40%n测试原理：测试原理：基于高能量粒子（光子、电子、离子）激发内层电基于高能量粒子（光子、电子、离子）激发内层电子后，较外层电子向内层轨道跃迁，同时使得同一轨道或等外子后，较外层电子向内层轨道跃迁，同时使得同一轨道或等外层的电子电离并逃离样品，成为携带元素信息的俄歇电子。层的电子电离并逃离样品，成为携带元素信息的俄歇电子。n测定内容：测定内容：同样也可以做表面元素化学状态的研究，更适合做同样也可以做表面元素化学状态的研究，更适合做表面元素的定性

51、与定量分析表面元素的定性与定量分析n特点：特点：n表面元素定性、半定量分析、元素深度分析和微区分析的重要手段表面元素定性、半定量分析、元素深度分析和微区分析的重要手段n采样深度比采样深度比XPS还要浅（还要浅（0.5纳米纳米- 2 纳米），纳米），n很强的微区分辨率，采样分析微区直径小到很强的微区分辨率，采样分析微区直径小到6纳米，可以做元素成分的纳米，可以做元素成分的定点分析、线扫描分析和面分布分析定点分析、线扫描分析和面分布分析n配合离子束剥离技术，可以做深度分析和界面分析适合元素定量分析配合离子束剥离技术，可以做深度分析和界面分析适合元素定量分析纳米科技概论纳米科技概论-5，2014学年

52、冬学期学年冬学期二、纳米材料表征技术概述（二、纳米材料表征技术概述（28）n3、表面与界面分析技术简介、表面与界面分析技术简介纳米科技概论纳米科技概论-5，2014学年冬学期学年冬学期二、纳米材料表征技术概述（二、纳米材料表征技术概述（29）n3、表面与界面分析技术简介、表面与界面分析技术简介图图5.37 俄歇测定俄歇测定TiO2薄膜的厚度薄膜的厚度纳米科技概论纳米科技概论-5，2014学年冬学期学年冬学期三、几种重要的纳米表征技术（三、几种重要的纳米表征技术（1）n1、XRD分析技术：分析技术：分析样品整体的物相信息分析样品整体的物相信息n1）衍射方程）衍射方程nA、布拉格公式：、布拉格公式

53、：2 d (hkl) sin = n ：n衍射花样上的各线条的相对强度与角度是晶体结构的衍射花样上的各线条的相对强度与角度是晶体结构的“指纹指纹”信息，信息，可以借可以借助软件进行查询，确定单晶或多晶的物相结构。助软件进行查询，确定单晶或多晶的物相结构。nB、仪器原理图、仪器原理图纳米科技概论纳米科技概论-5，2014学年冬学期学年冬学期三、几种重要的纳米表征技术（三、几种重要的纳米表征技术（2）n2）谱图解读）谱图解读n1、XRD分析技术分析技术纳米科技概论纳米科技概论-5，2014学年冬学期学年冬学期三、几种重要的纳米表征技术（三、几种重要的纳米表征技术（3）n2）谱图解读）谱图解读n1、

54、XRD分析技术分析技术纳米科技概论纳米科技概论-5，2014学年冬学期学年冬学期三、几种重要的纳米表征技术（三、几种重要的纳米表征技术（4）n1、XRD分析技术分析技术上图样品的电镜照片上图样品的电镜照片纳米科技概论纳米科技概论-5，2014学年冬学期学年冬学期三、几种重要的纳米表征技术（三、几种重要的纳米表征技术（5）n2、电镜分析技术：、电镜分析技术：分析特定微小区域的信息分析特定微小区域的信息n1）高分辨电子显微镜：）高分辨电子显微镜：n确定微小区域的物相结构和状态确定微小区域的物相结构和状态n显示结晶状态的晶格条纹，分析晶体面之间的距离显示结晶状态的晶格条纹，分析晶体面之间的距离n判别

55、非晶特征信息判别非晶特征信息n确定微小区域物相的缺陷信息：确定微小区域物相的缺陷信息：n点缺陷、线缺陷、面缺陷等点缺陷、线缺陷、面缺陷等n2）电子选区衍射分析：）电子选区衍射分析：n分析微区的物相结构分析微区的物相结构n一级电子衍射的布拉格公式：一级电子衍射的布拉格公式：sin =（1/d(hkl)）/（1/ ） n电子衍射花样上的点对应所分析样品中的晶体面，是物相结构的电子衍射花样上的点对应所分析样品中的晶体面，是物相结构的特征信息。特征信息。纳米科技概论纳米科技概论-5，2014学年冬学期学年冬学期三、几种重要的纳米表征技术（三、几种重要的纳米表征技术（6）n2、电镜分析技术、电镜分析技术

56、纳米科技概论纳米科技概论-5，2014学年冬学期学年冬学期三、几种重要的纳米表征技术（三、几种重要的纳米表征技术（7）n2、电镜分析技术、电镜分析技术纳米科技概论纳米科技概论-5，2014学年冬学期学年冬学期三、几种重要的纳米表征技术（三、几种重要的纳米表征技术（8）n2、电镜分析技术、电镜分析技术纳米科技概论纳米科技概论-5，2014学年冬学期学年冬学期三、几种重要的纳米表征技术（三、几种重要的纳米表征技术（9）n3、STM分析技术分析技术n1）测试原理与特点：）测试原理与特点：n利用隧道效应：导电样品利用隧道效应：导电样品n原子级的分辨率：平行与垂直表面分辨率达到原子级的分辨率：平行与垂直

57、表面分辨率达到0.1nm和和0.01nm，分辨单个原子，分辨单个原子n同时可以作为原子操纵工具同时可以作为原子操纵工具纳米科技概论纳米科技概论-5，2014学年冬学期学年冬学期三、几种重要的纳米表征技术（三、几种重要的纳米表征技术（10）n3、STM分析技术分析技术n2）仪器结构示意图：）仪器结构示意图：A、特点：近场成像、特点：近场成像B、精度控制、精度控制: 极其严格。极其严格。 高度：高度：0.01挨挨 水平：水平：0.1 埃埃C、压电陶瓷器件：、压电陶瓷器件：1mV-1000V电压产生电压产生0.1nm到数到数um的位移。的位移。D、控制热漂移、控制热漂移纳米科技概论纳米科技概论-5，

58、2014学年冬学期学年冬学期三、几种重要的纳米表征技术（三、几种重要的纳米表征技术（11）n3）测试结果图：）测试结果图：n3、STM分析技术分析技术可进行原位、可进行原位、实时的化学反实时的化学反应研究。应研究。纳米科技概论纳米科技概论-5，2014学年冬学期学年冬学期三、几种重要的纳米表征技术（三、几种重要的纳米表征技术（12）n3、STM分析技术分析技术不同偏压下，反映了样品表面不不同偏压下，反映了样品表面不同波函数的起伏，反映费米能级同波函数的起伏，反映费米能级以上、或者以下的表面电子结构。以上、或者以下的表面电子结构。图图A：样品流向针尖，：样品流向针尖，Si=Si二聚二聚原子的最高占据轨道（原子的最高占据轨道（ 键键）成像，）成像，反映了反映了 轨道的空间分布。轨道的空间分布。图图B ： 针尖流向样品。针尖流向样品。Si=Si二聚二聚原子的最低未占据轨道（原子的最低未占据轨道（）成）成像。像。纳米科技概论纳米科技概论-5，2014学年冬学期学年冬学期三、几种重要的纳米表征技术（三、几种重要的纳米表征技术（13）n3、STM分析技术分析技术可原位研究可原位研究表面上发生表面上发生的各种化学的各种化学反应。反应。原位探针研原位探针研究表面电