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纳米材料研究方法

纳米材料研究方法

——《材料研究方法》课程论文

学院：

机电工程学院

：

王前聪

学号：

201602044

纳米材料研究方法

摘要：

本文以纳米材料为主要研究对象,阐述了其分析使用的分析方法。

关键词：

纳米材料分析方法表征

1前言

纳米材料具有许多优良的物理及化学特性以及一系列新异的力、光、声、热、电、磁及催化特性，被广泛应用于国防、电子、化工、建材、医药、航空、能源、环境及日常生活用品中，具有重大的现实与潜在的高科技应用前景。

纳米科技是未来高科技的基础,而适合纳米科技研究的仪器分析方法是纳米科技中必不可少的实验手段。

因此,纳米材料的分析和表征对纳米材料和纳米科技发展具有重要的意义和作用。

分析科学是人类知识宝库中最重要、最活跃的领域之一,它不仅是研究的对象,而且又是观察和探索世界特别是微观世界的重要手段。

随着纳米材料科学技术的发展,要求改进和发展新分析方法、新分析技术和新概念,提高其灵敏度、准确度和可靠性,从中提取更多信息,提高测试质量、效率和经济性。

纳米材料主要性质有:

小尺寸效应、表面与界面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应。

目前表征纳米材料的技术很多，采用各种不同的测量信号形成了各种不同的材料分析方法，大体可以分为以下几种方法。

2X射线衍射分析（XRD）

X射线粉末衍射法的基本原理是:

一束单色X射线碰击到研成细粉的样品上，在理想情况下，样品中晶体按各个可能的取向随机排列。

在这样的粉末样品中，各种点阵面也以每个可能的取向存在。

因此，对每套点阵面，至少有一些晶体的取向与入射束成Bragg角e，于是对这些晶体和晶面发生衍射。

衍射束采用与图象记录仪相连的可移动检测仪Geiger，如计数器（衍射仪）检测，在记录纸上画出一系列峰。

峰度位置和强度很容易从谱图上得到，从而使它成为物相分析的极为有用和快速的方法。

3光谱分析方法

3.1激光拉曼光谱分析（LR）

拉曼散射的过程涉及光的弹性散射和非弹性散射，当一束频率为n。

的单色光照射到样品上时，都会发生散射现象，产生散射光，将产生弹性散射（Rayleighscattering）和非弹性散射（Ramanscattering）。

散射光的大部分具有与入射光（激发光）相同的频率，即散射光的光子能量与入射光的相同，这就是弹性散射，称为瑞利散射。

当散射光的光子能量发生改变与入射光不同时，其频率高于和低于入射光即非弹性散射，称为拉曼散射。

频率低于激发光的拉曼散射叫斯托克斯散射，频率高于激发光的拉曼散射叫反斯托克散射。

其中Stokes线（v0一△v）与Anti-stokes线（v0+△v）对称分布在激发线（n0）。

由于拉曼位移△、只取决于散射分子的结构而与v0无关，所以拉曼光谱可以作为分子振动能级的指纹光谱。

拉曼位移△v（散射光的波数与入射光波数之差）反映了分子部的振动和转动方式。

由此可以研究分子的结构和分析鉴定化合物。

3.2紫外一可见吸收光谱分析（UV-VIS）

电磁波可以和物质发生作用，物质吸收电磁波就可以产生电磁波谱。

物质的运动包括宏观运动和微观运动。

在微观运动中组成分子的原子之间的键在不断振动，当电磁波的频率等于振动的频率时，分子就可以吸收电磁波，使振动加剧。

化学键的振动频率位于红外区，所以这种吸收光谱称为红外吸收光谱。

原子由原子核和核外电子组成，核外电子在不断的运动着。

当用紫外光照射分子时，电子就会吸收紫外光跃迁到能量更高的轨道上运动，由此产生的电磁波谱称为电子波谱或称为紫外一可见吸收光谱。

原子核也处于不断的运动中，具有自旋的原子核置于外磁场中时可以吸收特定波段的电磁波，发生核磁共振，由此得到核磁共振谱。

3.3红外光谱分析（IR）

红外光谱是根据物质吸收红外辐射能量后引起分子振动和转动的能级跃迁，记录跃迁过程吸收或发射的电磁波，而获得该分子的红外吸收光谱。

不同物质对红外辐射的吸收不同，其红外光谱图也不相同。

3.4原子吸收光谱分析（AAS）

原子吸收光谱法是上世纪50年代中期出现并在以后逐渐发展起来的一种新型的仪器分析方法，这种方法根据蒸气相中被测元素的基态原子对其原子共振辐射的吸收强度来测定试样中被测元素的含量。

它在地质、冶金、农业、食品、轻工、机械、化工、生物医药、环境保护、材料科学等各个领域有广泛的应用。

当有辐射通过自由原子蒸气，且入射辐射的频率等于原子中的电子由基态跃迁到较高能态（一般情况下都是第一激发态）所需要的能量频率时，原子就要从辐射场中吸收能量，产生共振吸收，电子由基态跃迁到激发态，同时伴随着原子吸收光谱的产生。

3.5原子发射光谱分析（AES）

原子发射光谱分析（AES）以直流电弧，交流电弧或高压火花等为信号激发源，其能量使样品蒸发为气态原子并将气态原子外层电子激发至高能态，处于激发态的原子向低能级跃迁产生辐射，产生的辐射经过分光仪器分光，按波长顺序记录在感光板上，从而获得了按光谱线形式表达的样品发射光谱图。

依据获得的样品光谱图即可实现样品化学成分定性分析，确定样品的组成;也可通过对各种特征谱线强度的测定确定样品中各元素的含量，从而实现样品化学组成的定量分析。

3.6原子荧光光谱分析（AFS）

物质被某一波长的光照射后，会发射出比照射波长稍长的光，这种光称为荧光，它的过程是当物质的分子处于基态时，吸收光后，可跃迁到激发态，各激发态分子相互撞击而以无辐射能量损失的形式回到第一激发态的最低振动能级，这一振动能级的分子在返回基态时，所发射的光称为荧光;但当它转入亚稳的三重线级，停留一段时间，返回至基态时所发出的光称为磷光。

对于给定的物质来说，当激发光的波长、强度、荧光池厚度一定，时荧光强度与所测定的荧光物质浓度成比例，由此可求出所测定物质的含量。

4X射线光电子能谱（XPS）

X射线光电子能谱（X-rayphotoelectronspectroscopy，XPS）是经过近20年的潜心研究于20世纪60年代发明的一种新的分析方法。

XPS是用特征X射线作入射束，是用在与样品表面原子相互作用后，将原子壳电子激发电离，形成光电子，然后测量光电子的动能来鉴定样品所含元素及其化学状态。

由于各种元素的原子结构不同，原子层能级上电子的结合能是元素特性的反应，此方法具有标识性，可以作为元素分析的“指纹”。

XPS属表面分析法，它可以给出固体样品表面所含的元素种类（适用于除H，He以外的所有元素）、化学组成以及有关的电子结构等重要信息，在各种固体材料的基础研究和实际应用中起着重要的作用。

它既可以探测表面的化学组成，可以确定各元素的化学状态，因此，这种分析方法在化学/材料科学及表面科学中得到了非常广泛地应用。

随着现代科学技术的迅速发展，XPS也在不断地完善。

目前，已开发出小面积X射线光电子能谱，使得XPS的空间分辨能力有了很大的提高。

利用X射线光电子能谱法可分析纳米材料的表面化学组成、原子价态、表面形貌、表面微细结构状态及表面能态分布等。

5电子显微分析方法

电子显微镜（electronmicroscope，EM）是使用高能电子束作光源，用磁场作透镜制造的具有高分辨率和高放大倍数的电子光学显微镜。

电子显微分析方法以材料微观形貌，结构与成分分析为基本目的。

电子显微分析方法中得到广泛应用的分别为透射电子显微镜分析与扫描电子显微镜分析及电子探针分析。

5.1扫描电子显微镜（SEM）

扫描电子显微镜（scanningelectronmicroscope，SEM）简称扫描电镜，是利用电子束在样品表面扫描激发出来代表样品表面特征的信号成像的。

扫描电子显微镜（SEM）是由热阴极电子枪发射出的电子在电场作用下加速，经过2-3个电磁透镜的作用，在样品表面聚焦成为极细的电子束最小直径为1-10nm。

场发射扫描电子显微镜的分辨率可达到1nm，放大倍数可达到15万-20万倍，还可以观察样品表面的成分分布情况。

5.2原子力显微技术（AFM）

原子力显微镜（Atomicforcemicroscopy）的主要特征是不要求电导的表面，因为它测量的是扫描探针和它的样品表面间的相互作用力，包括静电的、德华的、摩擦的、表面力的（毛细的）和磁力的，因此它克服了STM方法的不足并成为它的互补。

由于仪器可以调节到所测量对象特定力有敏感作用的，故其可测量样品围扩展到有机、无机、生物材料及技术样品。

不同于STM，从AFM探针所获得是每一个表面点力的图。

这力的图可解释为表面结构的反映，是磁的、静电的诸种力的几何拓朴图。

AFM测定样品表面形貌的模式有三种:

接触式、非接触式和轻敲式（tappingmode）。

5.3扫描隧道显微镜（STM）

扫描隧道显微镜（STM）是一种新型的表面测试分析仪器。

与SEM、TEM相比，STM具有结构简单、分辨本领高等特点，可在真空大气或液体环境下以及在实空间进行原位动态观察样品表面的原子组态，并可直接甲于观察样品表面发生的物理或化学反应的动态过程及反应中原子的迁移过程等。

5.4射电子显微镜（TEM）

透射电子显微镜（transmissionelectronmicroscope.TEM）是采用透过薄膜样品的电子束成像来显示样品部组织形貌与结构的。

它可以在观察样品微观组织形态的同时，对所观察的区域进行晶体结构鉴定（同位分析）:

其分辨率可达10nm，放大倍数可达40万-60万倍。

此法用于薄层样品微观形貌观察与结构分析。

透射电镜成像原理与光学显微镜类似，即以电子束为照明源，经聚光镜聚焦后照射样品，透射电子经成像系统聚焦、放大、成像，并由荧光屏显示或底片记录。

常用的方法有:

超薄切片法、冷冻超薄切片法、冷冻蚀刻法、冷冻断裂法等。

对于液体样品，通常是挂在预处理过的铜网上进行观察。

现有纳米测量方法往往测量大面积或大量的纳米材料以表征纳米材料的单一尺度和性能，所得的测量结果是整个样品的平均值，因此，单个纳米颗粒、单根纳米管的奇异特性就被掩盖了。

对现有的纳米测量方法来说，表征单一纳米颗粒、纳米管、纳米纤维的尺度和性能是一个难题和挑战。

首先，因为它们的尺寸相当小，对单一纳米颗粒、纳米管的固定和夹持无法用大尺寸的固定和夹持技术来实现。

其次，纳米结构的小尺寸使得手工操纵相当困难，需要有一种针对单一纳米结构设计的专门操纵技术来进行操作。

Wang研究了用原位透射电子显微镜来测量单根碳纳米管力学强度的技术，专门制作了可通过外加电场来控制试样的夹具。

在电镜中能够清楚地观察到每个单根的碳纳米管，因而能够对单根纳米管进行性能测量。

6电化学检测方法

电化学分析是以测量某一化学体系的电响应为基础建立起来的一类分析方法，同时一些电化学检测方法也是对纳米薄膜材料检测的重要手段。

常用于检测金属沉积的电化学方法主要有:

循环伏安法（CV），线性扫描伏安法（LSV），开路电位时间曲线（OCP-t）和电化学直流极化分析法（Electrochemicaldepolarizationanalysis）等。

用相应的电化学方法如阳极溶出伏安法，对已沉积的薄膜进行扫描，随着薄膜的溶解，扫描得到的谱图中就会出现组分的溶出峰，根据溶出峰的位置可对组分成分进行定性检测。

同时溶出峰的位置还能判断薄膜与基体材料的结合强度，峰面积代表沉积量，即可算出膜的厚度。

另外，采用电化学阻抗技术，还可以研究薄膜的物理参数。

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