材料測試方法孫麗

1、材料測試方法簡介材料測試方法簡介孫麗孫麗 能源與動(dòng)力工程學(xué)院能源與動(dòng)力工程學(xué)院成分分析成分分析形貌分析形貌分析結(jié)構(gòu)分析結(jié)構(gòu)分析粒度分析粒度分析材料分析簡介材料分析簡介材料分析簡介材料分析簡介u方法多：方法多：納米材料具有許多優(yōu)良的特性諸如高比納米材料具有許多優(yōu)良的特性諸如高比表面、高電導(dǎo)、高硬度、高磁化率等；表面、高電導(dǎo)、高硬度、高磁化率等；u難度大：難度大：納米科學(xué)和技術(shù)是在納米尺度上（納米科學(xué)和技術(shù)是在納米尺度上（0.1 nm100 nm之間）研究物質(zhì)（包括原子、分子）之間）研究物質(zhì)（包括原子、分子）的特性和相互作用的學(xué)科。的特性和相互作用的學(xué)科。u應(yīng)用廣：應(yīng)用廣：納米科學(xué)大體包括納米電子

2、學(xué)、納米機(jī)納米科學(xué)大體包括納米電子學(xué)、納米機(jī)械學(xué)、納米材料學(xué)、納米生物學(xué)、納米光學(xué)、納械學(xué)、納米材料學(xué)、納米生物學(xué)、納米光學(xué)、納米化學(xué)等領(lǐng)域。米化學(xué)等領(lǐng)域。 成份分析成份分析 納米材料的光電聲熱磁等物理性能與組成納米材料納米材料的光電聲熱磁等物理性能與組成納米材料的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)具有密切關(guān)系；的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)具有密切關(guān)系；1、催化劑催化劑：Pt/Al2O3 Au/Co3O4 Pd/TiO22、量子點(diǎn)量子點(diǎn)：納米發(fā)光材料：納米發(fā)光材料ZnS 中摻雜不同的離子中摻雜不同的離子可調(diào)節(jié)在可見區(qū)域的各種顏色?？烧{(diào)節(jié)在可見區(qū)域的各種顏色。 ZnS: Mn 紅光、藍(lán)光紅光、藍(lán)光 ZnS: Cd、Ag 綠光綠

3、光 ZnS: Cu、Cl 藍(lán)光藍(lán)光3、合金材料合金材料：AuAg AgCu PdCu 因此確定納米材料的元素組成測定納米材料中雜質(zhì)因此確定納米材料的元素組成測定納米材料中雜質(zhì)的種類和濃度是納米材料分析的重要內(nèi)容之一。的種類和濃度是納米材料分析的重要內(nèi)容之一。 納米材料成分分析按照分析對象和要求可以分納米材料成分分析按照分析對象和要求可以分為為微量樣品分析微量樣品分析和和痕量成分分析痕量成分分析兩種類型；兩種類型； 納米材料的成分分析方法按照分析的目的不同納米材料的成分分析方法按照分析的目的不同又分為又分為體相元素成分分析體相元素成分分析、表面成分分析表面成分分析和和微微區(qū)成分分析區(qū)成分分析等方

4、法；等方法； 納米材料成分分析按照分析手段不同又分為納米材料成分分析按照分析手段不同又分為光光譜分析、質(zhì)譜分析譜分析、質(zhì)譜分析和和能譜分析能譜分析； 主要包括火焰和電熱原子吸收光譜主要包括火焰和電熱原子吸收光譜AAS， 電感耦合等離子電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜體原子發(fā)射光譜ICP-AES， X-射線熒光光譜射線熒光光譜XFS 和和X-射射線衍射光譜分析法線衍射光譜分析法XRD； 主要包括電感耦合等離子體質(zhì)譜主要包括電感耦合等離子體質(zhì)譜ICP-MS 和飛行時(shí)間二次和飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜法離子質(zhì)譜法TOF-SIMS 主要包括主要包括X 射線光電子能譜射線光電子能譜XPS 和俄歇電子能譜法和俄歇電

5、子能譜法AES 需要對樣品進(jìn)行溶解后再進(jìn)行測定，因此屬于破壞需要對樣品進(jìn)行溶解后再進(jìn)行測定，因此屬于破壞性樣品分析方法。性樣品分析方法。X X 射線熒光與衍射分析方法可以直接對固體樣品射線熒光與衍射分析方法可以直接對固體樣品進(jìn)行測定因此又稱為非破壞性元素分析方法。進(jìn)行測定因此又稱為非破壞性元素分析方法。納米材料的微量體相元素組成及其雜質(zhì)成分的分析納米材料的微量體相元素組成及其雜質(zhì)成分的分析方法包括原子吸收、原子發(fā)射方法包括原子吸收、原子發(fā)射ICPICP， 質(zhì)譜分析方法；質(zhì)譜分析方法；體相成分體相成分微量微量較多量較多量X X 射線熒光與衍射分析法射線熒光與衍射分析法根據(jù)蒸氣相中被測元素的基態(tài)原

6、子對其原子共振輻射根據(jù)蒸氣相中被測元素的基態(tài)原子對其原子共振輻射的吸收強(qiáng)度來測定試樣中被測元素的含量的吸收強(qiáng)度來測定試樣中被測元素的含量適合對納米材料中痕量金屬雜質(zhì)離子進(jìn)行定量測定，適合對納米材料中痕量金屬雜質(zhì)離子進(jìn)行定量測定，檢測限低檢測限低 ，ng/cm3，10101014g測量準(zhǔn)確度很高測量準(zhǔn)確度很高 ，1%（3-5%）選擇性好選擇性好 ，不需要進(jìn)行分離檢測，不需要進(jìn)行分離檢測 分析元素范圍廣分析元素范圍廣 ，70多種多種 不能同時(shí)進(jìn)行多元素分析不能同時(shí)進(jìn)行多元素分析 ICP是利用電感耦合等離子體作為激發(fā)源，根據(jù)處是利用電感耦合等離子體作為激發(fā)源，根據(jù)處于激發(fā)態(tài)的待測元素原子回到基態(tài)時(shí)發(fā)

7、射的特征于激發(fā)態(tài)的待測元素原子回到基態(tài)時(shí)發(fā)射的特征譜線對待測元素進(jìn)行分析的方法；譜線對待測元素進(jìn)行分析的方法； 可進(jìn)行可進(jìn)行多元素同時(shí)分析多元素同時(shí)分析，適合近，適合近70 種元素的分析；種元素的分析； 很低的檢測限很低的檢測限，一般可達(dá)到，一般可達(dá)到101105g/cm3 穩(wěn)定性很好，精密度很高穩(wěn)定性很好，精密度很高 ，相對偏差在，相對偏差在1%以內(nèi)以內(nèi) ，定量分析效果好；線性范圍可達(dá)定量分析效果好；線性范圍可達(dá)46個(gè)數(shù)量級個(gè)數(shù)量級 對非金屬元素的檢測靈敏度低；對非金屬元素的檢測靈敏度低； 制樣要求：制樣要求：溶液溶液lXPSXPS是利用了光電效應(yīng)，當(dāng)是利用了光電效應(yīng)，當(dāng)X X射線照射樣品，

8、使樣射線照射樣品，使樣品中原子或分子的電子受激發(fā)而發(fā)射出來，測量這品中原子或分子的電子受激發(fā)而發(fā)射出來，測量這些電子的能量分布，從中獲得所需要元素和結(jié)構(gòu)方些電子的能量分布，從中獲得所需要元素和結(jié)構(gòu)方面的信息。面的信息。lXPSXPS不但可以分析樣品表面的化學(xué)組成，還可以分不但可以分析樣品表面的化學(xué)組成，還可以分析表面元素的化學(xué)狀態(tài)。析表面元素的化學(xué)狀態(tài)。lXPSXPS測試只需極少量的樣品，將其粘貼在導(dǎo)電膠帶測試只需極少量的樣品，將其粘貼在導(dǎo)電膠帶上即可。上即可。l在實(shí)際測試中，以在實(shí)際測試中，以MgKaMgKa為射線源，在寬的范圍內(nèi)為射線源，在寬的范圍內(nèi)粗測，然后分別在小的范圍內(nèi)對特定元素進(jìn)行

9、細(xì)測。粗測，然后分別在小的范圍內(nèi)對特定元素進(jìn)行細(xì)測。美國美國Physical electronicsPhysical electronics公司的公司的ESCA 5600CESCA 5600C型型X X射線光電子能譜儀射線光電子能譜儀制樣要求：制樣要求：粉末：一般不少于粉末：一般不少于1 g1 g塊體：表面平整塊體：表面平整薄膜：表面平整薄膜：表面平整原理：原理：X X射線衍射分析是基于晶體產(chǎn)生的射線衍射分析是基于晶體產(chǎn)生的X X射線衍射，對物質(zhì)內(nèi)部原子在射線衍射，對物質(zhì)內(nèi)部原子在空間分布狀況上進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析的方法。將一定波長的空間分布狀況上進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析的方法。將一定波長的X X射線照射到晶射線

10、照射到晶體上時(shí)，結(jié)晶體上時(shí)，結(jié)晶內(nèi)存在規(guī)則排列的原子或離子使得內(nèi)存在規(guī)則排列的原子或離子使得X X射線產(chǎn)生散射，在射線產(chǎn)生散射，在某些方向上相位得到加強(qiáng)，顯示出特有的衍射現(xiàn)象，并與特定晶體結(jié)某些方向上相位得到加強(qiáng)，顯示出特有的衍射現(xiàn)象，并與特定晶體結(jié)構(gòu)相對應(yīng)。構(gòu)相對應(yīng)。物相分析物相分析 定性分析定性分析定量分析定量分析單一物相的鑒定或驗(yàn)證單一物相的鑒定或驗(yàn)證混合物相的鑒定混合物相的鑒定晶體結(jié)構(gòu)分析晶體結(jié)構(gòu)分析點(diǎn)陣常數(shù)（晶胞參數(shù)）測定點(diǎn)陣常數(shù)（晶胞參數(shù)）測定晶體對稱性（空間群）的測定晶體對稱性（空間群）的測定等效點(diǎn)系的測定等效點(diǎn)系的測定晶體定向晶體定向晶粒度測定晶粒度測定宏觀應(yīng)力分析宏觀應(yīng)力分析

11、（1）制備待分析物質(zhì)樣品；）制備待分析物質(zhì)樣品；（2）獲得樣品衍射花樣；）獲得樣品衍射花樣； （3）檢索）檢索PDF卡片；卡片；（4）核對）核對PDF卡片與物相判定?？ㄆc物相判定。Jade軟件分析樣品成分軟件分析樣品成分氯化鈉氯化鈉(NaCl)的的PDF卡片卡片l多相物質(zhì)相分析的方法是按上述基本步驟逐多相物質(zhì)相分析的方法是按上述基本步驟逐個(gè)確定其組成相。個(gè)確定其組成相。l多相物質(zhì)的衍射花樣是其各組成相衍射花樣多相物質(zhì)的衍射花樣是其各組成相衍射花樣的簡單疊加，這就帶來了多相物質(zhì)分析的簡單疊加，這就帶來了多相物質(zhì)分析(與單與單相物質(zhì)相比相物質(zhì)相比)的困難：的困難：l檢索用的三強(qiáng)線不一定局于同一相

12、，而且還檢索用的三強(qiáng)線不一定局于同一相，而且還可能發(fā)生一個(gè)相的某線條與另一相的某線條可能發(fā)生一個(gè)相的某線條與另一相的某線條重疊的現(xiàn)象。重疊的現(xiàn)象。l因此，多相物質(zhì)定性分析時(shí)，需要將衍射線因此，多相物質(zhì)定性分析時(shí)，需要將衍射線條輪番搭配、反復(fù)嘗試，比較復(fù)雜。條輪番搭配、反復(fù)嘗試，比較復(fù)雜?；驹砘驹韑 定量分析的任務(wù)是確定物質(zhì)定量分析的任務(wù)是確定物質(zhì)(樣品樣品)中各組成相的相對中各組成相的相對含量。含量。l 由于需要準(zhǔn)確測定衍射線強(qiáng)度，因而定量分析一般由于需要準(zhǔn)確測定衍射線強(qiáng)度，因而定量分析一般都采用衍射儀法。都采用衍射儀法。l 設(shè)樣品中任意一相為設(shè)樣品中任意一相為j，其某其某(HKL)衍

13、射線強(qiáng)度為衍射線強(qiáng)度為Ij，其體積分?jǐn)?shù)為其體積分?jǐn)?shù)為fj，樣品樣品(混合物混合物)線吸收系數(shù)為線吸收系數(shù)為 ；定量；定量分析的基本依據(jù)是：分析的基本依據(jù)是：Ij 隨隨fj的增加而增高；但由于樣的增加而增高；但由于樣品對品對X射線的吸收，射線的吸收，Ij 亦不正比于亦不正比于fj，而是依賴于而是依賴于Ij與與fj及及 之間的關(guān)系。之間的關(guān)系。 X射線光電子能譜；（射線光電子能譜；（10微米，表面）微米，表面） 俄歇電子能譜；（俄歇電子能譜；（6nm，表面），表面） 二次離子質(zhì)譜；（微米，表面）二次離子質(zhì)譜；（微米，表面） 電子探針分析方法；（電子探針分析方法；（0.5微米，體相）微米，體相） 電

14、鏡的能譜分析；（電鏡的能譜分析；（1微米，體相）微米，體相） 電鏡的電子能量損失譜分析；（電鏡的電子能量損失譜分析；（0.5nm） 利用電鏡的電子束與固體微區(qū)作用產(chǎn)生的利用電鏡的電子束與固體微區(qū)作用產(chǎn)生的X射線進(jìn)行能譜分析（射線進(jìn)行能譜分析（EDS/EDX）；）； 與電子顯微鏡結(jié)合（與電子顯微鏡結(jié)合（SEM，TEM），可），可進(jìn)行微區(qū)成份分析；進(jìn)行微區(qū)成份分析； 定性和定量分析，一次全分析；定性和定量分析，一次全分析；(1) 分析速度快，探測效率高分析速度快，探測效率高(2) 分辨率較低：分辨率較低： 130eV(3) 峰背比小、譜峰寬、易重疊，背底扣除困難，數(shù)峰背比小、譜峰寬、易重疊，背底扣

15、除困難，數(shù) 據(jù)處理復(fù)雜據(jù)處理復(fù)雜(4) 分析元素范圍：分析元素范圍：Be4U92(5) 進(jìn)行低倍掃描成像，大視域的元素分布圖。進(jìn)行低倍掃描成像，大視域的元素分布圖。(6) 對樣品污染作用小對樣品污染作用小(7) 適于粗糙表面成分分析適于粗糙表面成分分析 不受聚焦圓的限制，樣品的位置可起伏不受聚焦圓的限制，樣品的位置可起伏23mm。(8) 工作條件：工作條件： 探測器須在液氮溫度下使用，維護(hù)費(fèi)用高。探測器須在液氮溫度下使用，維護(hù)費(fèi)用高。EDS EDX 聚焦電子束在試樣沿一直線慢掃描，同時(shí)檢測某聚焦電子束在試樣沿一直線慢掃描，同時(shí)檢測某一指定特征一指定特征x x射線的瞬時(shí)強(qiáng)度射線的瞬時(shí)強(qiáng)度I I，

16、得到特征，得到特征x x射線射線I I沿試樣掃描線的分布。（元素的濃度分布）沿試樣掃描線的分布。（元素的濃度分布） 直接在顯微鏡像上疊加，顯示掃描軌跡和直接在顯微鏡像上疊加，顯示掃描軌跡和x x射線射線I I分布曲線，直觀反映元素濃度分布與組織結(jié)構(gòu)之分布曲線，直觀反映元素濃度分布與組織結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。間的關(guān)系。GaN納米管的線掃描納米管的線掃描 電子束在試樣表面進(jìn)行面掃描，譜儀只檢測某電子束在試樣表面進(jìn)行面掃描，譜儀只檢測某一元素的特征一元素的特征x x射線位置，得到由許多亮點(diǎn)組射線位置，得到由許多亮點(diǎn)組成的圖像。亮點(diǎn)為元素的所在處，根據(jù)亮點(diǎn)的成的圖像。亮點(diǎn)為元素的所在處，根據(jù)亮點(diǎn)的疏密程度可

17、確定元素在試樣表面的分布情況。疏密程度可確定元素在試樣表面的分布情況。Ti元素在高分子中的分布元素在高分子中的分布注意：注意： 線掃描、面掃描要求樣品表面平整，否則出現(xiàn)線掃描、面掃描要求樣品表面平整，否則出現(xiàn)假象。假象。 線掃描、面掃描只作定性分析，不作定量分析。線掃描、面掃描只作定性分析，不作定量分析。 定量分析是以試樣發(fā)出的特征定量分析是以試樣發(fā)出的特征X X射線強(qiáng)度和成分射線強(qiáng)度和成分已知的標(biāo)樣發(fā)出的已知的標(biāo)樣發(fā)出的X X射線強(qiáng)度之比作基礎(chǔ)來進(jìn)行射線強(qiáng)度之比作基礎(chǔ)來進(jìn)行的。的。 Fe3O4ZnO NPsTEMEDXXRD形貌分析形貌分析 材料的形貌尤其是納米材料的形貌也是材材料的形貌尤其

18、是納米材料的形貌也是材料分析的重要組成部分，材料的很多重要料分析的重要組成部分，材料的很多重要物理化學(xué)性能是由其形貌特征所決定的。物理化學(xué)性能是由其形貌特征所決定的。 對于納米材料，其性能不僅與材料成分有對于納米材料，其性能不僅與材料成分有關(guān)，還與材料的形貌有重要關(guān)系。關(guān)，還與材料的形貌有重要關(guān)系。 如顆粒狀納米材料與納米線和納米管的物如顆粒狀納米材料與納米線和納米管的物理化學(xué)性能有很大的差異。理化學(xué)性能有很大的差異。 納米材料常用的形貌分析方法主要有：掃納米材料常用的形貌分析方法主要有：掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、掃描隧描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡。道顯微鏡

19、和原子力顯微鏡。 掃描電鏡分析可以提供從數(shù)納米到毫米范圍內(nèi)的掃描電鏡分析可以提供從數(shù)納米到毫米范圍內(nèi)的形貌像，觀察視野大，其分辯率一般為形貌像，觀察視野大，其分辯率一般為6納米，對納米，對于場發(fā)射掃描電子顯微鏡，其空間分辯率可以達(dá)于場發(fā)射掃描電子顯微鏡，其空間分辯率可以達(dá)到到0.5納米量級。納米量級。 其提供的信息主要有材料的幾何形貌，粉體的分其提供的信息主要有材料的幾何形貌，粉體的分散狀態(tài)，納米顆粒大小及分布以及特定形貌區(qū)域散狀態(tài)，納米顆粒大小及分布以及特定形貌區(qū)域的元素組成和物相結(jié)構(gòu)。掃描電鏡對樣品的要求的元素組成和物相結(jié)構(gòu)。掃描電鏡對樣品的要求比較低，無論是粉體樣品還是大塊樣品，均可以比

20、較低，無論是粉體樣品還是大塊樣品，均可以直接進(jìn)行形貌觀察直接進(jìn)行形貌觀察 。 透射電鏡具有很高的空間分辯能力，特別適合納米粉透射電鏡具有很高的空間分辯能力，特別適合納米粉體材料的分析。體材料的分析。 其特點(diǎn)是樣品使用量少，不僅可以獲得樣品的形貌，其特點(diǎn)是樣品使用量少，不僅可以獲得樣品的形貌，顆粒大小，分布以還可以獲得特定區(qū)域的元素組成及顆粒大小，分布以還可以獲得特定區(qū)域的元素組成及物相結(jié)構(gòu)信息。物相結(jié)構(gòu)信息。 透射電鏡比較適合納米粉體樣品的形貌分析，但顆粒透射電鏡比較適合納米粉體樣品的形貌分析，但顆粒大小應(yīng)小于大小應(yīng)小于300 nm，否則電子束就不能透過了。對塊，否則電子束就不能透過了。對塊體

21、樣品的分析，透射電鏡一般需要對樣品進(jìn)行減薄處體樣品的分析，透射電鏡一般需要對樣品進(jìn)行減薄處理。理。 掃描隧道顯微鏡主要針對一些特殊導(dǎo)電固體樣品的形貌分析。掃描隧道顯微鏡主要針對一些特殊導(dǎo)電固體樣品的形貌分析?？梢赃_(dá)到原子量級的分辨率，但僅適合具有導(dǎo)電性的薄膜材料可以達(dá)到原子量級的分辨率，但僅適合具有導(dǎo)電性的薄膜材料的形貌分析和表面原子結(jié)構(gòu)分布分析，對納米粉體材料不能分的形貌分析和表面原子結(jié)構(gòu)分布分析，對納米粉體材料不能分析。析。掃描原子力顯微鏡可以對納米薄膜進(jìn)行形貌分析，分辨率可以掃描原子力顯微鏡可以對納米薄膜進(jìn)行形貌分析，分辨率可以達(dá)到幾十納米，比達(dá)到幾十納米，比STMSTM差，但適合導(dǎo)體和

22、非導(dǎo)體樣品，不適合差，但適合導(dǎo)體和非導(dǎo)體樣品，不適合納米粉體的形貌分析。納米粉體的形貌分析。這四種形貌分析方法各有特點(diǎn)，電鏡分析具有更多的優(yōu)勢，但這四種形貌分析方法各有特點(diǎn)，電鏡分析具有更多的優(yōu)勢，但STMSTM和和AFMAFM具有可以氣氛下進(jìn)行原位形貌分析的特點(diǎn)。具有可以氣氛下進(jìn)行原位形貌分析的特點(diǎn)。 背射電子像背射電子像信息深度是信息深度是0.11微米微米 ，元素成份象和表面形貌象，元素成份象和表面形貌象 ，分辯率，分辯率40 nm； 二次電子像二次電子像表面表面5-10 nm的區(qū)域，能量為的區(qū)域，能量為0-50 eV，表面形貌表面形貌 ，分辯，分辯率率0.5-6 nm；形貌襯度；形貌襯度

23、； 吸收電子像吸收電子像 表面化學(xué)成份和表面形貌信息表面化學(xué)成份和表面形貌信息 ，分辨率，分辨率40 nm 掃描電鏡樣品可以是塊狀，也可以是粉末，樣掃描電鏡樣品可以是塊狀，也可以是粉末，樣品直徑和厚度一般從幾毫米至幾厘米，根據(jù)不品直徑和厚度一般從幾毫米至幾厘米，根據(jù)不同儀器的試樣架大小而定。同儀器的試樣架大小而定。 樣品或樣品表面要求有良好的導(dǎo)電性，對于絕樣品或樣品表面要求有良好的導(dǎo)電性，對于絕緣體或?qū)щ娦圆畹牟牧蟻碚f，則需要預(yù)先在分緣體或?qū)щ娦圆畹牟牧蟻碚f，則需要預(yù)先在分析表面上蒸鍍一層厚度約析表面上蒸鍍一層厚度約101020 nm20 nm的導(dǎo)電層。的導(dǎo)電層。否則，形成電子堆積，阻擋入射電

24、子束進(jìn)入和否則，形成電子堆積，阻擋入射電子束進(jìn)入和樣品內(nèi)電子射出樣品表面。樣品內(nèi)電子射出樣品表面。 導(dǎo)電層一般是二次電子發(fā)射系數(shù)比較高的金、導(dǎo)電層一般是二次電子發(fā)射系數(shù)比較高的金、銀、碳和鋁等真空蒸鍍層。銀、碳和鋁等真空蒸鍍層。 用導(dǎo)電膠將試樣粘到樣品臺(tái)上。用導(dǎo)電膠將試樣粘到樣品臺(tái)上。SEM樣品制備樣品制備 1. 從大的樣品上確定取樣部位；從大的樣品上確定取樣部位；2. 根據(jù)需要，確定采用切割還是自由斷裂得根據(jù)需要，確定采用切割還是自由斷裂得到表界面；到表界面；3. 清洗；清洗；4. 包埋打磨、刻蝕、噴金處理。包埋打磨、刻蝕、噴金處理。SEMSEMSEM樣品制備大致步驟：樣品制備大致步驟：植物

25、花粉植物花粉蒼蠅的復(fù)眼蒼蠅的復(fù)眼鋁陽極氧化膜生長的銅納米線鋁陽極氧化膜生長的銅納米線 螺旋形碳納米管螺旋形碳納米管ZnO定向生長定向生長多孔多孔SiC陶瓷陶瓷 大大景景深深填充玻纖的高分子斷面填充玻纖的高分子斷面(a) 38%(b) 29%(c) 22%(d) 16%用不同濃度的前驅(qū)體溶液所制出的薄膜的SEM形貌The effects of precursor concentration on the texture of Gd2CuO4 filmPTC陶瓷混合斷口的形貌像陶瓷混合斷口的形貌像 20000 穿晶斷口穿晶斷口沿晶斷口沿晶斷口SEMEDS 裂紋觀察裂紋觀察1 mm50 m 較高的放

26、大倍數(shù)，較高的放大倍數(shù)，2-20萬倍之間連續(xù)可調(diào)；萬倍之間連續(xù)可調(diào)； 很大的景深，視野大，成像富有立體感，可直很大的景深，視野大，成像富有立體感，可直接觀察各種試樣凹凸不平表面的細(xì)微結(jié)構(gòu)；接觀察各種試樣凹凸不平表面的細(xì)微結(jié)構(gòu)； 樣品制備簡單。樣品制備簡單。 目前的掃描電鏡都配有目前的掃描電鏡都配有X射線能射線能譜儀裝置，這樣可以同時(shí)進(jìn)行顯微組織性貌的譜儀裝置，這樣可以同時(shí)進(jìn)行顯微組織性貌的觀察和微區(qū)成分分析。觀察和微區(qū)成分分析。 高分辨高分辨TEM是觀察材料微觀結(jié)構(gòu)的方法。是觀察材料微觀結(jié)構(gòu)的方法。不僅可以獲得晶包排列的信息，還可以不僅可以獲得晶包排列的信息，還可以確定晶胞中原子的位置。確定晶

27、胞中原子的位置。 200KV的的TEM點(diǎn)分辨率為點(diǎn)分辨率為0.2nm，1000KV的的TEM點(diǎn)分辨率為點(diǎn)分辨率為0.1nm。 粉末法粉末法 離子減薄法離子減薄法 超薄切片法超薄切片法 聚焦離子束刻蝕法聚焦離子束刻蝕法A: 非晶態(tài)合金B(yǎng):熱處理后微晶的晶格條紋像C:微晶的電子衍射明亮部位為非晶暗的部位為微晶 控制探針在被檢測樣品的表面進(jìn)行掃描，同控制探針在被檢測樣品的表面進(jìn)行掃描，同時(shí)記錄下掃描過程中探針尖端和樣品表面的時(shí)記錄下掃描過程中探針尖端和樣品表面的相互作用，就能得到樣品表面的相關(guān)信息。相互作用，就能得到樣品表面的相關(guān)信息。 利用這種方法得到被測樣品表面信息的分辨利用這種方法得到被測樣品

28、表面信息的分辨率取決于控制掃描的定位精度和探針作用尖率取決于控制掃描的定位精度和探針作用尖端的大?。刺结樀募怃J度）。端的大?。刺结樀募怃J度）。 原子級高分辨率原子級高分辨率 ； 實(shí)空間中表面的三維圖像實(shí)空間中表面的三維圖像 ； 觀察單個(gè)原子層的局部表面結(jié)構(gòu)觀察單個(gè)原子層的局部表面結(jié)構(gòu) 可在真空、大氣、常溫等不同環(huán)境下工作可在真空、大氣、常溫等不同環(huán)境下工作 可以得到有關(guān)表面結(jié)構(gòu)的信息，例如表面可以得到有關(guān)表面結(jié)構(gòu)的信息，例如表面不同層次的態(tài)密度、表面電子阱、電荷密不同層次的態(tài)密度、表面電子阱、電荷密度波、表面勢壘的變化和能隙結(jié)構(gòu)等度波、表面勢壘的變化和能隙結(jié)構(gòu)等 掃描隧道顯微鏡的基本原理掃

29、描隧道顯微鏡的基本原理是基于量子的隧道效應(yīng)。是基于量子的隧道效應(yīng)。將原子線度的極細(xì)針尖和被將原子線度的極細(xì)針尖和被研究物質(zhì)的表面作為兩個(gè)電研究物質(zhì)的表面作為兩個(gè)電極，當(dāng)樣品與針尖的距離非極，當(dāng)樣品與針尖的距離非常接近時(shí)（通常小于常接近時(shí)（通常小于0.1nm），在外加電場的作），在外加電場的作用下，電子會(huì)穿過兩用下，電子會(huì)穿過兩 個(gè)電極個(gè)電極之間的絕緣層流向另一個(gè)電之間的絕緣層流向另一個(gè)電極，這種現(xiàn)象稱為隧道效應(yīng)。極，這種現(xiàn)象稱為隧道效應(yīng)。隧道電流強(qiáng)度對針尖與樣品隧道電流強(qiáng)度對針尖與樣品表面之間的距離非常敏感，表面之間的距離非常敏感，如果距離小于如果距離小于0.1nm，電流，電流將增加一個(gè)數(shù)量級

30、。將增加一個(gè)數(shù)量級。 STM通常被認(rèn)為是測量表面原子結(jié)構(gòu)的工具，具通常被認(rèn)為是測量表面原子結(jié)構(gòu)的工具，具有直接測量原子間距的分辨率。有直接測量原子間距的分辨率。 但必須考慮電子結(jié)構(gòu)的影響，否則容易產(chǎn)生錯(cuò)誤但必須考慮電子結(jié)構(gòu)的影響，否則容易產(chǎn)生錯(cuò)誤的信息。的信息。 其實(shí)，在考慮了遂穿過程以及樣品表面與針尖的其實(shí)，在考慮了遂穿過程以及樣品表面與針尖的電子態(tài)的性質(zhì)后，電子態(tài)的性質(zhì)后，STM代表的應(yīng)該是表面的局部代表的應(yīng)該是表面的局部電子結(jié)構(gòu)和遂穿勢壘的空間變化。電子結(jié)構(gòu)和遂穿勢壘的空間變化。 STM圖像反映的是樣品表圖像反映的是樣品表面局域電子結(jié)構(gòu)和隧穿勢面局域電子結(jié)構(gòu)和隧穿勢壘的空間變化，與表面原

31、壘的空間變化，與表面原子核的位置沒有直接關(guān)系，子核的位置沒有直接關(guān)系，并不能將觀察到的表面高并不能將觀察到的表面高低起伏簡單地歸納為原子低起伏簡單地歸納為原子的排布結(jié)構(gòu)；的排布結(jié)構(gòu)； 針尖電子態(tài)的影響針尖電子態(tài)的影響 STM圖像是針尖電子態(tài)與圖像是針尖電子態(tài)與樣品表面局域電子態(tài)的卷樣品表面局域電子態(tài)的卷積；積；48個(gè)鐵原子在銅表面排列成直徑為14.2 納米的圓形量子?xùn)艡谟肧TM的針尖將鐵原子一個(gè)個(gè)地排列成漢字，漢字的大小只有幾個(gè)納米 1991年，IBM公司的“拼字”科研小組用STM針尖移動(dòng)吸附在金屬表面的一氧化碳分子，拼成了一個(gè)大腦袋小人的形象。這個(gè)分子人從頭到腳只有5nm高，堪稱世界上最小的

32、人形圖案。 納米神算子分子算盤科學(xué)家把碳60分子每十個(gè)一組放在銅的表面組成了世界上最小的算盤。與普通算盤不同的是，算珠不是用細(xì)桿穿起來，而是沿著銅表面的原子臺(tái)階排列的 。 原子力顯微鏡原子力顯微鏡(AFM)，或，或者掃描力顯微鏡（者掃描力顯微鏡（SFM）是是1986年由年由Binnig,Quate 和和Gerber發(fā)明的。發(fā)明的。 跟所有的掃描探針顯微鏡跟所有的掃描探針顯微鏡一樣，一樣，AFM使用一個(gè)極細(xì)使用一個(gè)極細(xì)的探針在樣品表面進(jìn)行光的探針在樣品表面進(jìn)行光柵掃描，探針是位于一懸柵掃描，探針是位于一懸臂的末端頂部，該懸臂可臂的末端頂部，該懸臂可對針尖和樣品間的作用力對針尖和樣品間的作用力作出

33、反應(yīng)。作出反應(yīng)。 結(jié)構(gòu)分析結(jié)構(gòu)分析 不僅納米材料的成份和形貌對其性能有不僅納米材料的成份和形貌對其性能有重要影響，納米材料的物相結(jié)構(gòu)和晶體重要影響，納米材料的物相結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)對材料的性能也有著重要的作用。結(jié)構(gòu)對材料的性能也有著重要的作用。 常用的物相分析方法有透射電鏡、光譜、常用的物相分析方法有透射電鏡、光譜、X X射線衍射分析以及激光拉曼分析。射線衍射分析以及激光拉曼分析。 圖圖1 不同結(jié)構(gòu)的不同結(jié)構(gòu)的CdSe1-XTeX 量量子點(diǎn)的結(jié)構(gòu)和光譜性質(zhì)示意圖子點(diǎn)的結(jié)構(gòu)和光譜性質(zhì)示意圖1核殼結(jié)構(gòu)的核殼結(jié)構(gòu)的CdTe-CdSe 量子點(diǎn)量子點(diǎn)2 核殼結(jié)構(gòu)的核殼結(jié)構(gòu)的CdSe-CdTe 量子點(diǎn)量子點(diǎn)3

34、 均相結(jié)構(gòu)的均相結(jié)構(gòu)的CdSe1-XTeX 量子點(diǎn)量子點(diǎn)4 梯度結(jié)構(gòu)的梯度結(jié)構(gòu)的CdSe1-XTeX 量子點(diǎn)量子點(diǎn)上述四種量子點(diǎn)的平均直徑為上述四種量子點(diǎn)的平均直徑為5.9nm 組成為組成為CdSe0.6Te0.4 XRD XRD 物相分析是基于多晶樣品對物相分析是基于多晶樣品對X X射線的衍射射線的衍射效應(yīng)，對樣品中各組分的存在形態(tài)進(jìn)行分析。效應(yīng)，對樣品中各組分的存在形態(tài)進(jìn)行分析。測定結(jié)晶情況，晶相，晶體結(jié)構(gòu)及成鍵狀態(tài)等測定結(jié)晶情況，晶相，晶體結(jié)構(gòu)及成鍵狀態(tài)等等。等。 可以確定各種晶態(tài)組分的結(jié)構(gòu)和含量?？梢源_定各種晶態(tài)組分的結(jié)構(gòu)和含量。 靈敏度較低，一般只能測定樣品中含量在靈敏度較低，一般只

35、能測定樣品中含量在1%1%以以上的物相，同時(shí)，定量測定的準(zhǔn)確度也不高，上的物相，同時(shí)，定量測定的準(zhǔn)確度也不高，一般在一般在1%1%的數(shù)量級。的數(shù)量級。 XRDXRD物相分析所需樣品量大（物相分析所需樣品量大（0.1g0.1g），才能得到），才能得到比較準(zhǔn)確的結(jié)果，對非晶樣品不能分析。比較準(zhǔn)確的結(jié)果，對非晶樣品不能分析。 樣品的顆粒度對樣品的顆粒度對X X射線的衍射強(qiáng)度以及重現(xiàn)性有很大的影響。射線的衍射強(qiáng)度以及重現(xiàn)性有很大的影響。一般樣品的顆粒越大，則參與衍射的晶粒數(shù)就越少，并還會(huì)一般樣品的顆粒越大，則參與衍射的晶粒數(shù)就越少，并還會(huì)產(chǎn)生初級消光效應(yīng)，使得強(qiáng)度的重現(xiàn)性較差。產(chǎn)生初級消光效應(yīng)，使得強(qiáng)

36、度的重現(xiàn)性較差。 要求粉體樣品的顆粒度大小在要求粉體樣品的顆粒度大小在0.1 0.1 10m10m范圍。此外，當(dāng)吸收范圍。此外，當(dāng)吸收系數(shù)大的樣品，參加衍射的晶粒數(shù)減少，也會(huì)使重現(xiàn)性變差。系數(shù)大的樣品，參加衍射的晶粒數(shù)減少，也會(huì)使重現(xiàn)性變差。因此在選擇參比物質(zhì)時(shí)，盡可能選擇結(jié)晶完好，晶粒小于因此在選擇參比物質(zhì)時(shí)，盡可能選擇結(jié)晶完好，晶粒小于5m5m，吸收系數(shù)小的樣品。吸收系數(shù)小的樣品。 一般可以采用壓片，膠帶粘以及石蠟分散的方法進(jìn)行制樣。一般可以采用壓片，膠帶粘以及石蠟分散的方法進(jìn)行制樣。由于由于X X射線的吸收與其質(zhì)量密度有關(guān)，因此要求樣品制備均勻，射線的吸收與其質(zhì)量密度有關(guān)，因此要求樣品制

37、備均勻，否則會(huì)嚴(yán)重影響定量結(jié)果的重現(xiàn)性。否則會(huì)嚴(yán)重影響定量結(jié)果的重現(xiàn)性。 XRDXRD物相定性分析物相定性分析 物相定量分析物相定量分析 晶粒大小的測定原理晶粒大小的測定原理 介孔結(jié)構(gòu)測定；介孔結(jié)構(gòu)測定； 多層膜分析多層膜分析 物質(zhì)狀態(tài)鑒別物質(zhì)狀態(tài)鑒別 用用XRDXRD測量納米材料晶粒大小的原理是基于衍測量納米材料晶粒大小的原理是基于衍射線的寬度與材料晶粒大小有關(guān)這一現(xiàn)象。射線的寬度與材料晶粒大小有關(guān)這一現(xiàn)象。 利用利用XRDXRD測定晶粒度的大小是有一定的限制條測定晶粒度的大小是有一定的限制條件的，一般當(dāng)晶粒大于件的，一般當(dāng)晶粒大于100nm100nm以上，其衍射峰的以上，其衍射峰的寬度隨晶

38、粒大小的變化就不敏感了；而當(dāng)晶粒寬度隨晶粒大小的變化就不敏感了；而當(dāng)晶粒小于小于10nm10nm時(shí)，其衍射峰隨晶粒尺寸的變小而顯時(shí)，其衍射峰隨晶粒尺寸的變小而顯著寬化著寬化 ； 試樣中晶粒大小可采用試樣中晶粒大小可采用ScherrerScherrer公式進(jìn)行計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算 是入射是入射X X射線的波長射線的波長 是衍射是衍射hklhkl的布拉格角的布拉格角 hklhkl是衍射是衍射hklhkl的半峰寬，單位為弧度。的半峰寬，單位為弧度。 使用使用ScherrorScherror公式測定晶粒度大小的適用范圍公式測定晶粒度大小的適用范圍是是5 nm 5 nm 300 nm 300 nm。 cos

39、89. 0NdDhklhklhkl 小角度的小角度的X X射線衍射峰可以用來研究納米介孔材射線衍射峰可以用來研究納米介孔材料的介孔結(jié)構(gòu)。這是目前測定納米介孔材料結(jié)構(gòu)料的介孔結(jié)構(gòu)。這是目前測定納米介孔材料結(jié)構(gòu)最有效的方法之一。最有效的方法之一。 由于介孔材料可以形成很規(guī)整的孔，所以可以把由于介孔材料可以形成很規(guī)整的孔，所以可以把它看做周期性結(jié)構(gòu)，樣品在小角區(qū)的衍射峰反映它看做周期性結(jié)構(gòu)，樣品在小角區(qū)的衍射峰反映了孔洞周期的大小。了孔洞周期的大小。 對于孔排列不規(guī)整的介孔材料，此方法不能獲得對于孔排列不規(guī)整的介孔材料，此方法不能獲得其孔經(jīng)周期的信息。其孔經(jīng)周期的信息。 在納米多層膜材料中，兩薄膜層

40、材料反復(fù)重疊，形成調(diào)在納米多層膜材料中，兩薄膜層材料反復(fù)重疊，形成調(diào)制界面。當(dāng)制界面。當(dāng)X X射線入射時(shí)，周期良好的調(diào)制界面會(huì)與平行射線入射時(shí)，周期良好的調(diào)制界面會(huì)與平行于薄膜表面的晶面一樣，在滿足布拉格方程時(shí)，產(chǎn)生相于薄膜表面的晶面一樣，在滿足布拉格方程時(shí)，產(chǎn)生相干衍射。干衍射。 由于多層膜的調(diào)制周期比一般金屬和小分子化合物的最由于多層膜的調(diào)制周期比一般金屬和小分子化合物的最大晶面間距大得多，所以只有小周期多層膜調(diào)制界面產(chǎn)大晶面間距大得多，所以只有小周期多層膜調(diào)制界面產(chǎn)生的生的X X射線衍射峰可以在小角度區(qū)域中觀察到。射線衍射峰可以在小角度區(qū)域中觀察到。 對制備良好的小周期納米多層膜可以用小

41、角度對制備良好的小周期納米多層膜可以用小角度XRDXRD方法方法測定其調(diào)制周期。測定其調(diào)制周期。 不同的物質(zhì)狀態(tài)對X射線的衍射作用是不相同的，因此可以利用X射線衍射譜來區(qū)別晶態(tài)和非晶態(tài)。 不同材料狀態(tài)以及相應(yīng)的XRD譜示意圖 TiO2納米材料晶粒大小測定納米材料晶粒大小測定對于對于TiO2納米粉體，衍射峰納米粉體，衍射峰2為為25 ，為，為101晶面。晶面。當(dāng)采用當(dāng)采用CuK，波長為，波長為0.154nm，衍射角的衍射角的2為為25.30 ，半高寬為，半高寬為0.375 ，一般，一般Scherrer常數(shù)取常數(shù)取0.89。根據(jù)根據(jù)Scherrer公式，可以計(jì)算獲公式，可以計(jì)算獲得晶粒的尺寸。得晶

42、粒的尺寸。D101K/Bcos21.5 nm。B B為弧度為弧度 對于S2樣品在2=4.43時(shí)出現(xiàn)明銳的衍射峰，根據(jù)Braag方程，可計(jì)算出其對應(yīng)的調(diào)制周期為1.99nm； 而對于S3.5樣品的2=2.66，調(diào)制周期為3.31nm； 分別與其設(shè)計(jì)周期2nm和3.5nm近似相等 六方孔形MCM-41密堆積排列示意圖 合成產(chǎn)物的XRD圖譜 在TiO2載體表面負(fù)載不同含量CuO的納米催化劑的XRD譜XRD測定CuO在TiO2載體表面的單層分散閾值 當(dāng)一束激發(fā)光的光子與作為散射中心的分子發(fā)生相互作當(dāng)一束激發(fā)光的光子與作為散射中心的分子發(fā)生相互作用時(shí)，大部分光子僅是改變了方向，發(fā)生散射，而光的用時(shí)，大部

43、分光子僅是改變了方向，發(fā)生散射，而光的頻率仍與激發(fā)光源一致，這中散射稱為瑞利散射。頻率仍與激發(fā)光源一致，這中散射稱為瑞利散射。 但也存在很微量的光子不僅改變了光的傳播方向，而且但也存在很微量的光子不僅改變了光的傳播方向，而且也改變了光波的頻率，這種散射稱為拉曼散射。其散射也改變了光波的頻率，這種散射稱為拉曼散射。其散射光的強(qiáng)度約占總散射光強(qiáng)度的光的強(qiáng)度約占總散射光強(qiáng)度的10106 610101010。 拉曼散射的產(chǎn)生原因是光子與分子之間發(fā)生了能量交換，拉曼散射的產(chǎn)生原因是光子與分子之間發(fā)生了能量交換，改變了光子的能量。改變了光子的能量。 在固體材料中拉曼激活的機(jī)制很多，反映在固體材料中拉曼激活

44、的機(jī)制很多，反映的范圍也很廣：如分子振動(dòng)，各種元激發(fā)的范圍也很廣：如分子振動(dòng)，各種元激發(fā)（電子，聲子，等離子體等），雜質(zhì)，缺（電子，聲子，等離子體等），雜質(zhì)，缺陷等陷等 晶相結(jié)構(gòu)，顆粒大小，薄膜厚度，固相反晶相結(jié)構(gòu)，顆粒大小，薄膜厚度，固相反應(yīng)，細(xì)微結(jié)構(gòu)分析，催化劑等方面應(yīng)，細(xì)微結(jié)構(gòu)分析，催化劑等方面Raman 特征頻率特征頻率材料的組成材料的組成MoS2, MoO3Raman 譜峰的改變譜峰的改變加壓加壓/ /拉伸狀態(tài)拉伸狀態(tài)每每1%的應(yīng)變，的應(yīng)變，Si產(chǎn)生產(chǎn)生1 cm-1 Raman 位移位移Raman 偏振峰偏振峰晶體的對稱性和晶體的對稱性和取向取向用用CVD法得到法得到金金剛石顆粒的取

45、向剛石顆粒的取向Raman 峰寬峰寬晶體的質(zhì)量晶體的質(zhì)量塑性變形的量塑性變形的量晶粒度影響晶粒度影響 利用晶粒度對LRS散射效應(yīng)導(dǎo)致的位移效應(yīng)，還可以研究晶粒度的信息晶粒度影響晶粒度影響 145 cm-1, 404 cm-1, 516 cm-1, 635 cm-1 是銳鈦礦的Raman峰； 228 cm-1, 294 cm-1是金紅石的Raman峰； 在超過400 后，有金紅石相出現(xiàn)； 500 1000 0 20000 40000 Sub/400 TiO2/300 TiO2/400 TiO2/500 TiO2/600 145 228 294 404 516 635 Intensity (Arb

46、. Units) Raman Shift / cm1 200 800 體相銳鈦礦Raman峰1，2制備的薄膜Raman峰142cm-1145cm-11 U.Balachandran, N.G. Eror, J. Sol. State. Chem, 42(1982) 276-282. 2 Sean Kelly, Fred H.Pollak, Micha Tomkiewicz, J. Phys. Chem. B 101(1997) 2730-2734. Raman峰的位置會(huì)隨著粒子粒徑和孔徑的大小發(fā)生變化。粒徑的變小會(huì)使峰位置偏移，峰不對稱加寬，峰強(qiáng)變?nèi)酰?TiO2 薄膜孔徑變小，體現(xiàn)在142cm

47、-1的峰位置變化明顯，從位置142cm-1到145cm-1的變化，顯示粒徑的大小變大2 ，與TEM結(jié)果一致。 所用的電子束能量在所用的電子束能量在10102 210106 6eVeV的范圍內(nèi)。的范圍內(nèi)。 電子衍射與電子衍射與X X射線一樣，也遵循布拉格方程。射線一樣，也遵循布拉格方程。 電子束衍射的角度小，測量精度差。測量晶體結(jié)電子束衍射的角度小，測量精度差。測量晶體結(jié)構(gòu)不如構(gòu)不如XRDXRD。 電子束很細(xì)，適合作微區(qū)分析電子束很細(xì)，適合作微區(qū)分析 因此，主要用于確定物相以及它們與基體的取向因此，主要用于確定物相以及它們與基體的取向關(guān)系以及材料中的結(jié)構(gòu)缺陷等。關(guān)系以及材料中的結(jié)構(gòu)缺陷等。 電子

48、衍射可與物像的形貌觀察結(jié)合起來，使人們能在電子衍射可與物像的形貌觀察結(jié)合起來，使人們能在高倍下選擇微區(qū)進(jìn)行晶體結(jié)構(gòu)分析，弄清微區(qū)的物象高倍下選擇微區(qū)進(jìn)行晶體結(jié)構(gòu)分析，弄清微區(qū)的物象組成；組成； 電子波長短，使單晶電子衍射斑點(diǎn)大都分布在一二維電子波長短，使單晶電子衍射斑點(diǎn)大都分布在一二維倒易截面內(nèi)，這對分析晶體結(jié)構(gòu)和位向關(guān)系帶來很大倒易截面內(nèi)，這對分析晶體結(jié)構(gòu)和位向關(guān)系帶來很大方便；方便； 電子衍射強(qiáng)度大，所需曝光時(shí)間短，攝取衍射花樣時(shí)電子衍射強(qiáng)度大，所需曝光時(shí)間短，攝取衍射花樣時(shí)僅需幾秒鐘。僅需幾秒鐘。 當(dāng)波長為當(dāng)波長為 的單色平面電子波以入射角的單色平面電子波以入射角 照射到照射到晶面間距為

49、晶面間距為d的平行晶面組時(shí)，各個(gè)晶面的散射的平行晶面組時(shí)，各個(gè)晶面的散射波干涉加強(qiáng)的條件是滿足布拉格關(guān)系：波干涉加強(qiáng)的條件是滿足布拉格關(guān)系： 2dsin2dsin =n=n 入射電子束照射到晶體上，一部分透射出去，入射電子束照射到晶體上，一部分透射出去，一部分使晶面間距為一部分使晶面間距為d的晶面發(fā)生衍射，產(chǎn)生衍的晶面發(fā)生衍射，產(chǎn)生衍射束。射束。 當(dāng)一電子束照射在單晶體薄膜上時(shí)，透射束穿過薄膜到達(dá)當(dāng)一電子束照射在單晶體薄膜上時(shí)，透射束穿過薄膜到達(dá)感光相紙上形成中間亮斑；衍射束則偏離透射束形成有規(guī)感光相紙上形成中間亮斑；衍射束則偏離透射束形成有規(guī)則的衍射斑點(diǎn)則的衍射斑點(diǎn) 對于多晶體而言，由于晶粒

50、數(shù)目極大且晶面位向在空間任對于多晶體而言，由于晶粒數(shù)目極大且晶面位向在空間任意分布，多晶體的倒易點(diǎn)陣將變成倒易球。倒易球與愛瓦意分布，多晶體的倒易點(diǎn)陣將變成倒易球。倒易球與愛瓦爾德球相交后在相紙上的投影將成為一個(gè)個(gè)同心圓。爾德球相交后在相紙上的投影將成為一個(gè)個(gè)同心圓。 電子衍射結(jié)果實(shí)際上是得到了被測晶體的倒易點(diǎn)陣花樣，電子衍射結(jié)果實(shí)際上是得到了被測晶體的倒易點(diǎn)陣花樣，對它們進(jìn)行倒易反變換從理論上講就可知道其正點(diǎn)陣的情對它們進(jìn)行倒易反變換從理論上講就可知道其正點(diǎn)陣的情況況電子衍射花樣的標(biāo)定電子衍射花樣的標(biāo)定 多晶衍射花樣是同心的環(huán)花樣，可以用類似粉末多晶衍射花樣是同心的環(huán)花樣，可以用類似粉末X

51、X射線射線的方法來處理?？梢杂?jì)算獲得各衍射環(huán)所對應(yīng)的晶面的方法來處理。可以計(jì)算獲得各衍射環(huán)所對應(yīng)的晶面間距。由此可以分析此相的晶體結(jié)構(gòu)或點(diǎn)陳類型，也間距。由此可以分析此相的晶體結(jié)構(gòu)或點(diǎn)陳類型，也可以由晶面指數(shù)和晶面間距獲得點(diǎn)陳常數(shù)?？梢院涂梢杂删嬷笖?shù)和晶面間距獲得點(diǎn)陳常數(shù)?？梢院蚗 X射射線衍射分析的數(shù)據(jù)對照。線衍射分析的數(shù)據(jù)對照。 單晶的衍射花樣比較簡單，可以獲得晶面間距以及點(diǎn)單晶的衍射花樣比較簡單，可以獲得晶面間距以及點(diǎn)陳類型和晶體學(xué)數(shù)據(jù)。表陳類型和晶體學(xué)數(shù)據(jù)。表1 1是電子衍射花樣與晶體結(jié)構(gòu)是電子衍射花樣與晶體結(jié)構(gòu)的關(guān)系。具體指標(biāo)化過程可以通過計(jì)算機(jī)完成。的關(guān)系。具體指標(biāo)化過程可以通過

52、計(jì)算機(jī)完成。ABCA 非晶非晶B 單晶單晶C 多晶多晶v 納米線已經(jīng)形成納米線已經(jīng)形成 v 在受到電子束照射時(shí)在受到電子束照射時(shí)發(fā)生變形發(fā)生變形 v 電子衍射花樣為規(guī)律電子衍射花樣為規(guī)律性的斑點(diǎn)性的斑點(diǎn) Fig 2.A TEM for 10 minFig 2.B TEM for 30 minv 顆粒為長圓形：定向生長顆粒為長圓形：定向生長v 顆粒自組裝形成的長串顆粒自組裝形成的長串 ：納米線納米線v 電子衍射花樣為不清晰的電子衍射花樣為不清晰的亮環(huán)亮環(huán) ：非晶：非晶Fig 2.C TEM for 60 minv 納米線已經(jīng)完全形成納米線已經(jīng)完全形成v 在電子束照射下較為穩(wěn)定在電子束照射下較為穩(wěn)

53、定v 電子衍射花樣：納米線的電子衍射花樣：納米線的取向取向一致取向取向一致v 晶體的晶體的C軸同納米線的走向軸同納米線的走向一致一致 粒度分析粒度分析 對于納米材料，其顆粒大小和形狀對材料的性能起著決對于納米材料，其顆粒大小和形狀對材料的性能起著決定性的作用。因此，對納米材料的顆粒大小和形狀的表定性的作用。因此，對納米材料的顆粒大小和形狀的表征和控制具有重要的意義。征和控制具有重要的意義。 一般固體材料顆粒大小可以用顆粒粒度概念來描述。但一般固體材料顆粒大小可以用顆粒粒度概念來描述。但由于顆粒形狀的復(fù)雜性，一般很難直接用一個(gè)尺度來描由于顆粒形狀的復(fù)雜性，一般很難直接用一個(gè)尺度來描述一個(gè)顆粒大小

54、，因此，在粒度大小的描述過程中廣泛述一個(gè)顆粒大小，因此，在粒度大小的描述過程中廣泛采用等效粒度的概念。采用等效粒度的概念。 對于不同原理的粒度分析儀器，所依據(jù)的測量原理不同，對于不同原理的粒度分析儀器，所依據(jù)的測量原理不同，其顆粒特性也不相同，只能進(jìn)行等效對比，不能進(jìn)行橫其顆粒特性也不相同，只能進(jìn)行等效對比，不能進(jìn)行橫向直接對比。向直接對比。 顯微鏡法顯微鏡法(Microscopy) (Microscopy) ；SEM,TEMSEM,TEM；1nm1nm55范圍；范圍；適合納米材料的粒度大小和形貌分析適合納米材料的粒度大小和形貌分析 ； 沉降法沉降法(Sedimentation Size An

55、alysis) (Sedimentation Size Analysis) 沉降法的原理是基于顆粒在懸浮體系時(shí)，顆粒本身重力沉降法的原理是基于顆粒在懸浮體系時(shí)，顆粒本身重力( (或或所受離心力所受離心力) )、所受浮力和黏滯阻力三者平衡，并且黏滯力、所受浮力和黏滯阻力三者平衡，并且黏滯力服從斯托克斯定律來實(shí)施測定的，此時(shí)顆粒在懸浮體系中服從斯托克斯定律來實(shí)施測定的，此時(shí)顆粒在懸浮體系中以恒定速度沉降，且沉降速度與粒度大小的平方成正比以恒定速度沉降，且沉降速度與粒度大小的平方成正比 ；10nm10nm2020的顆粒的顆粒 ； 激光衍射式粒度儀僅對粒度在激光衍射式粒度儀僅對粒度在55以上的樣品分析

56、較準(zhǔn)以上的樣品分析較準(zhǔn)確，而動(dòng)態(tài)光散射粒度儀則對粒度在確，而動(dòng)態(tài)光散射粒度儀則對粒度在55以下的納米樣以下的納米樣品分析準(zhǔn)確。品分析準(zhǔn)確。 激光光散射法可以測量激光光散射法可以測量20nm20nm35003500的粒度分布，獲得的粒度分布，獲得的是等效球體積分布，測量準(zhǔn)確，速度快，代表性強(qiáng)，的是等效球體積分布，測量準(zhǔn)確，速度快，代表性強(qiáng)，重復(fù)性好，適合混合物料的測量。重復(fù)性好，適合混合物料的測量。 利用光子相干光譜方法可以測量利用光子相干光譜方法可以測量1nm1nm3000nm3000nm范圍的粒度范圍的粒度分布，特別適合超細(xì)納米材料的粒度分析研究。測量體分布，特別適合超細(xì)納米材料的粒度分析研

57、究。測量體積分布，準(zhǔn)確性高，測量速度快，動(dòng)態(tài)范圍寬，可以研積分布，準(zhǔn)確性高，測量速度快，動(dòng)態(tài)范圍寬，可以研究分散體系的穩(wěn)定性。其缺點(diǎn)是不適用于粒度分布寬的究分散體系的穩(wěn)定性。其缺點(diǎn)是不適用于粒度分布寬的樣品測定。樣品測定。 測量范圍廣測量范圍廣, ,現(xiàn)在最先進(jìn)的激光光散射粒度測試儀可現(xiàn)在最先進(jìn)的激光光散射粒度測試儀可以測量以測量1nm1nm30003000, ,基本滿足了超細(xì)粉體技術(shù)的要基本滿足了超細(xì)粉體技術(shù)的要求；求； 測定速度快測定速度快, ,自動(dòng)化程度高自動(dòng)化程度高, ,操作簡單。一般只需操作簡單。一般只需1 11.5min1.5min； 測量準(zhǔn)確測量準(zhǔn)確, ,重現(xiàn)性好。重現(xiàn)性好。 可以獲得粒度分布；可以獲得粒度分布； 液體介質(zhì)的選擇液體介質(zhì)的選擇 液體使顆粒直徑的變化應(yīng)小于液體使顆粒直徑的變化應(yīng)小于5%；粉末在液體中的溶解；粉末在液體中的溶解度小于度小于5g/kg； 溶解度溶解度 隨溫度的變化小于隨溫度的變化小于0.1mg/(L K)，整個(gè)過程溶解度的變化小于整個(gè)過程溶解度的變化小于0.5mg/L 分散劑的選擇分散劑的選擇 空間的穩(wěn)定化；顆粒表面電荷的穩(wěn)定化空間的穩(wěn)定化；顆粒表面電荷的穩(wěn)定化 外加機(jī)械力的選擇外加機(jī)械力的選擇 不破壞顆粒的原始粒徑為準(zhǔn)則不破壞顆粒的原始粒徑為準(zhǔn)則 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：可以提供顆粒大小，分布以及形狀的數(shù)據(jù)，：可以提供顆粒大小，分布以及形狀的數(shù)據(jù)，此外，