納米材料研究方法

1、納米材料研究方法 材料研究方法課程論文 學(xué)院：機(jī)電工程學(xué)院 姓名：王前聰 學(xué)號(hào)：201602044納米材料研究方法摘要：本文以納米材料為主要研究對(duì)象,闡述了其分析使用的分析方法。 關(guān)鍵詞：納米材料 分析方法 表征 1前言 納米材料具有許多優(yōu)良的物理及化學(xué)特性以及一系列新異的力、光、聲、熱、電、磁及催化特性，被廣泛應(yīng)用于國(guó)防、電子、化工、建材、醫(yī)藥、航空、能源、環(huán)境及日常生活用品中，具有重大的現(xiàn)實(shí)與潛在的高科技應(yīng)用前景。納米科技是未來高科技的基礎(chǔ), 而適合納米科技研究的儀器分析方法是納米科技中必不可少的實(shí)驗(yàn)手段。因此, 納米材料的分析和表征對(duì)納米材料和納米科技發(fā)展具有重要的意義和作用。 分析科學(xué)

2、是人類知識(shí)寶庫(kù)中最重要、最活躍的領(lǐng)域之一, 它不僅是研究的對(duì)象, 而且又是觀察和探索世界特別是微觀世界的重要手段。隨著納米材料科學(xué)技術(shù)的發(fā)展, 要求改進(jìn)和發(fā)展新分析方法、新分析技術(shù)和新概念, 提高其靈敏度、準(zhǔn)確度和可靠性, 從中提取更多信息, 提高測(cè)試質(zhì)量、效率和經(jīng)濟(jì)性。 納米材料主要性質(zhì)有:小尺寸效應(yīng)、表面與界面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)。目前表征納米材料的技術(shù)很多，采用各種不同的測(cè)量信號(hào)形成了各種不同的材料分析方法，大體可以分為以下幾種方法。 2 X射線衍射分析（XRD)X射線粉末衍射法的基本原理是:一束單色X射線碰擊到研成細(xì)粉的樣品上，在理想情況下，樣品中晶體按各個(gè)可能的取向隨

3、機(jī)排列。在這樣的粉末樣品中，各種點(diǎn)陣面也以每個(gè)可能的取向存在。因此，對(duì)每套點(diǎn)陣面，至少有一些晶體的取向與入射束成Bragg角e，于是對(duì)這些晶體和晶面發(fā)生衍射。衍射束采用與圖象記錄儀相連的可移動(dòng)檢測(cè)儀Geiger，如計(jì)數(shù)器(衍射儀)檢測(cè)，在記錄紙上畫出一系列峰。峰度位置和強(qiáng)度很容易從譜圖上得到，從而使它成為物相分析的極為有用和快速的方法。 3光譜分析方法 3.1激光拉曼光譜分析(LR) 拉曼散射的過程涉及光的彈性散射和非彈性散射，當(dāng)一束頻率為n。的單色光照射到樣品上時(shí)，都會(huì)發(fā)生散射現(xiàn)象，產(chǎn)生散射光，將產(chǎn)生彈性散射 (Ray leighscattering)和非彈性散射(Raman scatter

4、ing)。散射光的大部分具有與入射光(激發(fā)光)相同的頻率，即散射光的光子能量與入射光的相同，這就是彈性散射，稱為瑞利散射。當(dāng)散射光的光子能量發(fā)生改變與入射光不同時(shí)，其頻率高于和低于入射光即非彈性散射，稱為拉曼散射。頻率低于激發(fā)光的拉曼散射叫斯托克斯散射，頻率高于激發(fā)光的拉曼散射叫反斯托克散射。其中Stokes線(v0一v)與Anti-stokes線(v0+v)對(duì)稱分布在激發(fā)線(n0)。由于拉曼位移、只取決于散射分子的結(jié)構(gòu)而與v0無(wú)關(guān)，所以拉曼光譜可以作為分子振動(dòng)能級(jí)的指紋光譜。拉曼位移v(散射光的波數(shù)與入射光波數(shù)之差)反映了分子內(nèi)部的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)方式。由此可以研究分子的結(jié)構(gòu)和分析鑒定化合物。 3

5、.2紫外一可見吸收光譜分析(UV-VIS) 電磁波可以和物質(zhì)發(fā)生作用，物質(zhì)吸收電磁波就可以產(chǎn)生電磁波譜。物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)包括宏觀運(yùn)動(dòng)和微觀運(yùn)動(dòng)。在微觀運(yùn)動(dòng)中組成分子的原子之間的鍵在不斷振動(dòng)，當(dāng)電磁波的頻率等于振動(dòng)的頻率時(shí)，分子就可以吸收電磁波，使振動(dòng)加劇?；瘜W(xué)鍵的振動(dòng)頻率位于紅外區(qū)，所以這種吸收光譜稱為紅外吸收光譜。原子由原子核和核外電子組成，核外電子在不斷的運(yùn)動(dòng)著。當(dāng)用紫外光照射分子時(shí)，電子就會(huì)吸收紫外光躍遷到能量更高的軌道上運(yùn)動(dòng)，由此產(chǎn)生的電磁波譜稱為電子波譜或稱為紫外一可見吸收光譜。原子核也處于不斷的運(yùn)動(dòng)中，具有自旋的原子核置于外磁場(chǎng)中時(shí)可以吸收特定波段的電磁波，發(fā)生核磁共振，由此得到核磁共振

6、譜。3.3紅外光譜分析(IR) 紅外光譜是根據(jù)物質(zhì)吸收紅外輻射能量后引起分子振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的能級(jí)躍遷，記錄躍遷過程吸收或發(fā)射的電磁波，而獲得該分子的紅外吸收光譜。不同物質(zhì)對(duì)紅外輻射的吸收不同，其紅外光譜圖也不相同。 3.4原子吸收光譜分析(AAS) 原子吸收光譜法是上世紀(jì)50年代中期出現(xiàn)并在以后逐漸發(fā)展起來的一種新型的儀器分析方法，這種方法根據(jù)蒸氣相中被測(cè)元素的基態(tài)原子對(duì)其原子共振輻射的吸收強(qiáng)度來測(cè)定試樣中被測(cè)元素的含量。它在地質(zhì)、冶金、農(nóng)業(yè)、食品、輕工、機(jī)械、化工、生物醫(yī)藥、環(huán)境保護(hù)、材料科學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。當(dāng)有輻射通過自由原子蒸氣，且入射輻射的頻率等于原子中的電子由基態(tài)躍遷到較高能態(tài)(

7、一般情況下都是第一激發(fā)態(tài))所需要的能量頻率時(shí)，原子就要從輻射場(chǎng)中吸收能量，產(chǎn)生共振吸收，電子由基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，同時(shí)伴隨著原子吸收光譜的產(chǎn)生。 3.5原子發(fā)射光譜分析(AES) 原子發(fā)射光譜分析(AES)以直流電弧，交流電弧或高壓火花等為信號(hào)激發(fā)源，其能量使樣品蒸發(fā)為氣態(tài)原子并將氣態(tài)原子外層電子激發(fā)至高能態(tài)，處于激發(fā)態(tài)的原子向低能級(jí)躍遷產(chǎn)生輻射，產(chǎn)生的輻射經(jīng)過分光儀器分光，按波長(zhǎng)順序記錄在感光板上，從而獲得了按光譜線形式表達(dá)的樣品發(fā)射光譜圖。依據(jù)獲得的樣品光譜圖即可實(shí)現(xiàn)樣品化學(xué)成分定性分析，確定樣品的組成;也可通過對(duì)各種特征譜線強(qiáng)度的測(cè)定確定樣品中各元素的含量，從而實(shí)現(xiàn)樣品化學(xué)組成的定量分析。

8、 3.6原子熒光光譜分析(AFS) 物質(zhì)被某一波長(zhǎng)的光照射后，會(huì)發(fā)射出比照射波長(zhǎng)稍長(zhǎng)的光，這種光稱為熒光，它的過程是當(dāng)物質(zhì)的分子處于基態(tài)時(shí)，吸收光后，可躍遷到激發(fā)態(tài)，各激發(fā)態(tài)分子相互撞擊而以無(wú)輻射能量損失的形式回到第一激發(fā)態(tài)的最低振動(dòng)能級(jí)，這一振動(dòng)能級(jí)的分子在返回基態(tài)時(shí)，所發(fā)射的光稱為熒光;但當(dāng)它轉(zhuǎn)入亞穩(wěn)的三重線級(jí)，停留一段時(shí)間，返回至基態(tài)時(shí)所發(fā)出的光稱為磷光。對(duì)于給定的物質(zhì)來說，當(dāng)激發(fā)光的波長(zhǎng)、強(qiáng)度、熒光池厚度一定，時(shí)熒光強(qiáng)度與所測(cè)定的熒光物質(zhì)濃度成比例，由此可求出所測(cè)定物質(zhì)的含量。 4 X射線光電子能譜(XPS) X射線光電子能譜(X-ray photo electron spectros

9、copy，XPS)是經(jīng)過近20年的潛心研究于20世紀(jì)60年代發(fā)明的一種新的分析方法。XPS是用特征X射線作入射束，是用在與樣品表面原子相互作用后，將原子內(nèi)殼電子激發(fā)電離，形成光電子，然后測(cè)量光電子的動(dòng)能來鑒定樣品所含元素及其化學(xué)狀態(tài)。由于各種元素的原子結(jié)構(gòu)不同，原子內(nèi)層能級(jí)上電子的結(jié)合能是元素特性的反應(yīng)，此方法具有標(biāo)識(shí)性，可以作為元素分析的“指紋”。XPS屬表面分析法，它可以給出固體樣品表面所含的元素種類(適用于除H，He以外的所有元素)、化學(xué)組成以及有關(guān)的電子結(jié)構(gòu)等重要信息，在各種固體材料的基礎(chǔ)研究和實(shí)際應(yīng)用中起著重要的作用。它既可以探測(cè)表面的化學(xué)組成，可以確定各元素的化學(xué)狀態(tài)，因此，這種分

10、析方法在化學(xué)/材料科學(xué)及表面科學(xué)中得到了非常廣泛地應(yīng)用。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，XPS也在不斷地完善。目前，已開發(fā)出小面積X射線光電子能譜，使得XPS的空間分辨能力有了很大的提高。利用X射線光電子能譜法可分析納米材料的表面化學(xué)組成、原子價(jià)態(tài)、表面形貌、表面微細(xì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)及表面能態(tài)分布等。5 電子顯微分析方法 電子顯微鏡 (electron microscope，EM)是使用高能電子束作光源，用磁場(chǎng)作透鏡制造的具有高分辨率和高放大倍數(shù)的電子光學(xué)顯微鏡。電子顯微分析方法以材料微觀形貌，結(jié)構(gòu)與成分分析為基本目的。電子顯微分析方法中得到廣泛應(yīng)用的分別為透射電子顯微鏡分析與掃描電子顯微鏡分析及電子探針

11、分析。 5.1 掃描電子顯微鏡 (SEM) 掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)簡(jiǎn)稱掃描電鏡，是利用電子束在樣品表面掃描激發(fā)出來代表樣品表面特征的信號(hào)成像的。掃描電子顯微鏡(SEM)是由熱陰極電子槍發(fā)射出的電子在電場(chǎng)作用下加速，經(jīng)過2-3個(gè)電磁透鏡的作用，在樣品表面聚焦成為極細(xì)的電子束最小直徑為1-10nm。場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡的分辨率可達(dá)到1nm，放大倍數(shù)可達(dá)到15萬(wàn)-20萬(wàn)倍，還可以觀察樣品表面的成分分布情況。 5.2 原子力顯微技術(shù) (AFM) 原子力顯微鏡(Atomic force microscopy)的主要特征是不要求電導(dǎo)的表面，因?yàn)樗?/p>

12、測(cè)量的是掃描探針和它的樣品表面間的相互作用力，包括靜電的、范德華的、摩擦的、表面張力的(毛細(xì)的)和磁力的，因此它克服了STM方法的不足并成為它的互補(bǔ)。由于儀器可以調(diào)節(jié)到所測(cè)量對(duì)象特定力有敏感作用的，故其可測(cè)量樣品范圍擴(kuò)展到有機(jī)、無(wú)機(jī)、生物材料及技術(shù)樣品。不同于STM，從AFM探針?biāo)@得是每一個(gè)表面點(diǎn)力的圖。這力的圖可解釋為表面結(jié)構(gòu)的反映，是磁的、靜電的諸種力的幾何拓樸圖。AFM測(cè)定樣品表面形貌的模式有三種:接觸式、非接觸式和輕敲式(tapping mode)。 5.3掃描隧道顯微鏡(STM) 掃描隧道顯微鏡 (STM)是一種新型的表面測(cè)試分析儀器。與SEM、TEM相比，STM具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、分辨

13、本領(lǐng)高等特點(diǎn)，可在真空大氣或液體環(huán)境下以及在實(shí)空間內(nèi)進(jìn)行原位動(dòng)態(tài)觀察樣品表面的原子組態(tài)，并可直接甲于觀察樣品表面發(fā)生的物理或化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)態(tài)過程及反應(yīng)中原子的遷移過程等。 5.4射電子顯微鏡(TEM) 透射電子顯微鏡(trans mission electron microscope.TEM)是采用透過薄膜樣品的電子束成像來顯示樣品內(nèi)部組織形貌與結(jié)構(gòu)的。它可以在觀察樣品微觀組織形態(tài)的同時(shí)，對(duì)所觀察的區(qū)域進(jìn)行晶體結(jié)構(gòu)鑒定(同位分析):其分辨率可達(dá)10nm，放大倍數(shù)可達(dá)40萬(wàn)-60萬(wàn)倍。此法用于薄層樣品微觀形貌觀察與結(jié)構(gòu)分析。透射電鏡成像原理與光學(xué)顯微鏡類似，即以電子束為照明源，經(jīng)聚光鏡聚焦后照射樣

14、品，透射電子經(jīng)成像系統(tǒng)聚焦、放大、成像，并由熒光屏顯示或底片記錄。常用的方法有:超薄切片法、冷凍超薄切片法、冷凍蝕刻法、冷凍斷裂法等。對(duì)于液體樣品，通常是掛在預(yù)處理過的銅網(wǎng)上進(jìn)行觀察。 現(xiàn)有納米測(cè)量方法往往測(cè)量大面積或大量的納米材料以表征納米材料的單一尺度和性能，所得的測(cè)量結(jié)果是整個(gè)樣品的平均值，因此，單個(gè)納米顆粒、單根納米管的奇異特性就被掩蓋了。對(duì)現(xiàn)有的納米測(cè)量方法來說，表征單一納米顆粒、納米管、納米纖維的尺度和性能是一個(gè)難題和挑戰(zhàn)。首先，因?yàn)樗鼈兊某叽缦喈?dāng)小，對(duì)單一納米顆粒、納米管的固定和夾持無(wú)法用大尺寸的固定和夾持技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。其次，納米結(jié)構(gòu)的小尺寸使得手工操縱相當(dāng)困難，需要有一種針對(duì)單一

15、納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的專門操縱技術(shù)來進(jìn)行操作。Wang研究了用原位透射電子顯微鏡來測(cè)量單根碳納米管力學(xué)強(qiáng)度的技術(shù)，專門制作了可通過外加電場(chǎng)來控制試樣的夾具。在電鏡中能夠清楚地觀察到每個(gè)單根的碳納米管，因而能夠?qū)胃{米管進(jìn)行性能測(cè)量。 6 電化學(xué)檢測(cè)方法 電化學(xué)分析是以測(cè)量某一化學(xué)體系的電響應(yīng)為基礎(chǔ)建立起來的一類分析方法，同時(shí)一些電化學(xué)檢測(cè)方法也是對(duì)納米薄膜材料檢測(cè)的重要手段。常用于檢測(cè)金屬沉積的電化學(xué)方法主要有:循環(huán)伏安法(CV)，線性掃描伏安法(LSV)，開路電位時(shí)間曲線(OCP-t)和電化學(xué)直流極化分析法(Electro chemical depolarization analysis)等。用相

16、應(yīng)的電化學(xué)方法如陽(yáng)極溶出伏安法，對(duì)已沉積的薄膜進(jìn)行掃描，隨著薄膜的溶解，掃描得到的譜圖中就會(huì)出現(xiàn)組分的溶出峰，根據(jù)溶出峰的位置可對(duì)組分成分進(jìn)行定性檢測(cè)。同時(shí)溶出峰的位置還能判斷薄膜與基體材料的結(jié)合強(qiáng)度，峰面積代表沉積量，即可算出膜的厚度。另外，采用電化學(xué)阻抗技術(shù)，還可以研究薄膜的物理參數(shù)。 參考文獻(xiàn)1李鈴，向航. 功能材料與納米技術(shù)M. 北京：化工工業(yè)出版社，2002：13. 2項(xiàng)金鐘，吳興惠. 納米粒子與納米結(jié)構(gòu)薄膜M. 北京：化工工業(yè)出版社，2001：401. 3朱永法. 納來米材料表征與測(cè)試M. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社,2006. 4川合知仁主編, 陸求實(shí)譯. 圖解納米技術(shù)的應(yīng)用日M. 文匯出版社