1、第四章：纳米材料测试分析技术第四章：纳米材料测试分析技术尺尺 寸寸 评评 估估结结 构构 表表 征征性性 能能 测测 量量纳米材料测纳米材料测试分析技术试分析技术电子显微分析电子显微分析扫描探针分析扫描探针分析X-X-射线衍射分析射线衍射分析光光 谱谱 分分 析析能能 谱谱 分分 析析粒粒 度度 分分 析析1ppt课件天津理工大学纳米材料与技术研究中心微微 观观 世世 界界 的的 探探 索索社会发展、科技进步总伴随着工具的完善和革新。社会发展、科技进步总伴随着工具的完善和革新。以显微镜来说吧，发展至今可以说是有了三代显以显微镜来说吧，发展至今可以说是有了三代显微镜。这也使得人们对于微观世界的认
2、识越来越微镜。这也使得人们对于微观世界的认识越来越深入，从微米级，亚微米级发展到纳米级乃至原深入，从微米级，亚微米级发展到纳米级乃至原子分辨率子分辨率。2ppt课件天津理工大学纳米材料与技术研究中心1830年代后期为M.Schleide和T.Schmann所发明；它使人类“看”到了致病的细菌、微生物和微米级的微小物体，对社会的发展起了巨大的促进作用，至今仍是主要的显微工具。第一代为光学显微镜第一代为光学显微镜3ppt课件天津理工大学纳米材料与技术研究中心第二代为电子显微镜第二代为电子显微镜20世纪三十年代早期卢斯世纪三十年代早期卢斯卡（卡（E.Ruska）发明了电）发明了电子显微镜，使人类能子
3、显微镜，使人类能”看看”到病毒等亚微米的物体，到病毒等亚微米的物体，它与光学显微镜一起成了它与光学显微镜一起成了微电子技术的基本工具。微电子技术的基本工具。4ppt课件天津理工大学纳米材料与技术研究中心第三代为扫描探针显微镜第三代为扫描探针显微镜也可简称为也可简称为纳米显微镜纳米显微镜。19811981年年比尼格和罗勒发明了扫描隧道显比尼格和罗勒发明了扫描隧道显微镜（微镜（STM），使人类实现了），使人类实现了观察单个原子观察单个原子的原望；的原望；19851985年年 C.F.Quate C.F.Quate 发明了原子力显微镜发明了原子力显微镜（AFM），也具有），也具有原子分辨率原子分辨率
4、，与扫描隧道显微镜一起构建了扫与扫描隧道显微镜一起构建了扫描探针显微镜（描探针显微镜（SPM）系列。）系列。5ppt课件电子显电子显微分析微分析透射电子显微镜（透射电子显微镜（TEM）扫描电子显微镜（扫描电子显微镜（SEM）电子探针显微分析电子探针显微分析(EPMA)+X-射线能谱射线能谱分析分析(EDX)一、电一、电 子子 显显 微微 分分 析析材料的形貌观察、材料的材料的形貌观察、材料的表面和内部微结构分析表面和内部微结构分析材料的微区成材料的微区成分分析分分析(微米微米)6ppt课件透透 射射 电电 子子 显显 微微 分分 析析透射电子显微镜（简称透射电子显微镜（简称透射电镜透射电镜）T
5、ransmission Electron Microscope（TEM）：2mm=200m mm：2,000 Angstroms=200nm：2 Angstroms=0.2nm透射电镜的成像原理与光学显微镜相似，主要不同点在于：透射电镜的成像原理与光学显微镜相似，主要不同点在于：光学显微镜光学显微镜 可见光照明束，玻璃透镜聚焦成像可见光照明束，玻璃透镜聚焦成像 透射电镜透射电镜 电子为照明束，磁透镜聚焦成像电子为照明束，磁透镜聚焦成像7ppt课件分辨率分辨率:约约1 1nm1931年年The Nobel Prize in Physics 1986“for his fundamental wor
6、k in electron optics,and for the design of the first electron microscope”Ernst Ruska(1906-1988)8ppt课件普通透射电子显微镜（普通透射电子显微镜（TEM）透射电镜的分辨率的高低主要透射电镜的分辨率的高低主要取决于物镜，通过两个中间镜取决于物镜，通过两个中间镜之间的相互配合，可在较大范之间的相互配合，可在较大范围内调整相机长度和放大倍数。围内调整相机长度和放大倍数。9ppt课件利用透射电镜可以进行材料的形貌观测，尺寸评估。由于电利用透射电镜可以进行材料的形貌观测，尺寸评估。由于电子波与物质的作用遵循布
7、拉格（子波与物质的作用遵循布拉格（Bragg）定律，产生衍射现象，）定律，产生衍射现象，因此兼有结构分析的功能。因此兼有结构分析的功能。金纳米粒子金纳米粒子碳纳米管碳纳米管金属纳米线金属纳米线10ppt课件天津理工大学纳米材料与技术研究中心核核-壳结构的纳米粒子壳结构的纳米粒子11ppt课件In situ TEM images recorded during the process of Ge nanowire growtha.Au nanoclusters in solid state at 500oC;b.Alloying is initiated at 800oC at this sta
8、ge Au exists mostly in solid state;c.Liquid Au/Ge alloy;d.The nucleation of(a)Ge nanocrystal on the alloy surface;e.Ge nanocrystal elongates with further Ge condensation,and(f)eventually forms a wire.12ppt课件TEM观察观察C-tube的形成过程的形成过程13ppt课件高分辨电子显微镜（高分辨电子显微镜（HREM）分辨率分辨率0.17nm(400kV)；样品的最大厚度（小于；样品的最大厚度（小
9、于0.1 m mm）透射电子穿过很薄的晶体，类似于经透射电子穿过很薄的晶体，类似于经过了一个过了一个“相位体相位体”，即其波的振幅，即其波的振幅基本不变，而波的相位却由于晶体势基本不变，而波的相位却由于晶体势场的作用而发生变化。这些携带晶体场的作用而发生变化。这些携带晶体结构信息的透射束和若干衍射束或两结构信息的透射束和若干衍射束或两个以上衍射束通过透镜重构就得到晶个以上衍射束通过透镜重构就得到晶体的高分辨像。体的高分辨像。高分辨像是利用电子高分辨像是利用电子束相位的变化，束相位的变化，需要两束甚至多束成需要两束甚至多束成像。像。14ppt课件GaN 纳米棒纳米棒TEM 及及HREM 像像碳纳
10、米管碳纳米管TEM 及及HREM 像像15ppt课件扫扫 描描 电电 子子 显显 微微 分分 析析扫描电子显微镜（简称扫描电镜）扫描电子显微镜（简称扫描电镜）Scanning Electron MiccroscopeScanning Electron Miccroscope（SEMSEM）扫描电镜的电子光学系统扫描电镜的电子光学系统的作用是产生一个细的电的作用是产生一个细的电子束照射到样品表面，与子束照射到样品表面，与TEM不同，它仅不同，它仅用于获得用于获得扫描电子束扫描电子束。扫描电镜的扫描电镜的电子束应具有较高的亮电子束应具有较高的亮度和尽可能小的束斑半度和尽可能小的束斑半径。径。16p
11、pt课件SEM Sample-Electron Interaction入射电子轰击样品产生的核外电子叫入射电子轰击样品产生的核外电子叫二次电子二次电子，被固体样品，被固体样品反射回来的部分入射电子叫反射回来的部分入射电子叫反射电子反射电子或或初级背散射电子初级背散射电子。17ppt课件普通扫描电镜普通扫描电镜 SEM二次电子成像的衬度有二次电子成像的衬度有形形貌衬度貌衬度、成分衬度成分衬度、电压电压衬度衬度和和磁衬度磁衬度；背散射电；背散射电子成像的衬度子成像的衬度有形貌衬度有形貌衬度、成分衬度成分衬度和和磁衬度磁衬度。扫描电镜一般利用扫描电镜一般利用二二次电子成像次电子成像或或背散射背散射电
12、子成像。电子成像。普通普通SEM使用的是普通使用的是普通阴极电子枪阴极电子枪，受钨丝阴极发射率较低，受钨丝阴极发射率较低的限制，需要较大的发射截面，才能获得足够的电子束强度。的限制，需要较大的发射截面，才能获得足够的电子束强度。寿命短，分辨率较低寿命短，分辨率较低。18ppt课件FE-SEM是利用曲率半径很小的是利用曲率半径很小的阴极阴极尖端来发射电子尖端来发射电子。若阴极尖端的半径。若阴极尖端的半径为为100500nm，则在尖端与第一阳极，则在尖端与第一阳极之间加之间加35kV的电压，所产生的场强就的电压，所产生的场强就足以发射电子，经过第二阳极几十千足以发射电子，经过第二阳极几十千伏甚至几
13、百千伏的正电压的作用下，伏甚至几百千伏的正电压的作用下，阴极尖端发射的电子会聚在第二阳极阴极尖端发射的电子会聚在第二阳极孔的下方，孔的下方，电子束直径小至电子束直径小至1020nm。场发射电子枪场发射电子枪是扫描电镜获得高分辨率、高质量图象较为理想是扫描电镜获得高分辨率、高质量图象较为理想的电子源。场发射扫描电镜还有在低电压下保持高的分辨率和的电子源。场发射扫描电镜还有在低电压下保持高的分辨率和电子枪寿命长等优点。电子枪寿命长等优点。场发射扫描电镜（场发射扫描电镜（FE-SEM）19ppt课件FE-SEM HITACHI S-4300FE-SEM HITACHI S-430020ppt课件21
14、ppt课件22ppt课件天津理工大学纳米材料与技术研究中心23ppt课件用用SEM观察螺观察螺旋状旋状Te纳米带纳米带的形成过程的形成过程 24ppt课件TEMSEM25ppt课件天津理工大学纳米材料与技术研究中心扫描电子显微镜的扫描电子显微镜的附件附件：X射线能谱仪射线能谱仪(EDS)X射线波谱仪射线波谱仪(WDS)电子背散射衍射系统（电子背散射衍射系统（EBSD）26ppt课件在在SEM和和TEM里，可用特征的里，可用特征的X-射线谱来分析材料微区的化射线谱来分析材料微区的化学成分，这种微区分析可小至几立方微米。学成分，这种微区分析可小至几立方微米。X-射线能谱仪射线能谱仪（EDS）是扫描
15、电镜的一个重要附件，利用它可以对试样进行）是扫描电镜的一个重要附件，利用它可以对试样进行元素定性、半定量和定量分析。其特点是探测效率高，可同时元素定性、半定量和定量分析。其特点是探测效率高，可同时分析多种元素。分析多种元素。X X 射射 线线 能能 谱谱 分分 析析定性分析定性分析：每一种元素都有它自己的特征：每一种元素都有它自己的特征X-射线，根据特征射线，根据特征 X-射线的波长可以进行定性分析。射线的波长可以进行定性分析。定量分析定量分析：根据元素的特征：根据元素的特征 X-射线的强度可以进行定性分析射线的强度可以进行定性分析X-射线能谱分析只能对对射线能谱分析只能对对B及原子序数比及原
16、子序数比B大的元素进行分析大的元素进行分析27ppt课件28ppt课件天津理工大学纳米材料与技术研究中心二、扫描探针显微镜二、扫描探针显微镜(SPMSPM)探探 尖尖SPM(Scanning Probe Microscope)具有原子级表面形态分辨率，且可具有原子级表面形态分辨率，且可检测多种纳米级表面特性，如力学、检测多种纳米级表面特性，如力学、磁、电、热、光等特性。磁、电、热、光等特性。SPM仪仪器体积小，样品无需特殊处理，可器体积小，样品无需特殊处理，可在多种环境下进行处理。但其扫描在多种环境下进行处理。但其扫描速度慢、重复性差、缺乏成分分析速度慢、重复性差、缺乏成分分析功能。功能。29
17、ppt课件天津理工大学纳米材料与技术研究中心扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜（STM STM）Scanning Tunneling MicroscopeRo与样品表面相关的参数与样品表面相关的参数Z有有0.1nm的变化的变化 IT即有数量级的变化即有数量级的变化隧道电流的变化曲线隧道电流的变化曲线 30ppt课件STMSTM是在金属探针和导电样品之间是在金属探针和导电样品之间加上小电压，并将两者距离维持在几个埃到几十个埃之间，使探针探针尖端与样品表面之间产生量子隧穿量子隧穿电电流流来测量样品表面的形貌与结构。两个平板导体间的隧道效两个平板导体间的隧道效应实验装置稍加改变即成应实验装置稍加改变即成为
18、为STM的雏形的雏形31ppt课件工作原理：工作原理：STM基本原理：量子理论中的隧道效应基本原理：量子理论中的隧道效应。32ppt课件工作原理：工作原理：STM基本原理：量子理论中的隧道效应基本原理：量子理论中的隧道效应。33ppt课件天津理工大学纳米材料与技术研究中心STM有恒电流和高度两种模式有恒电流和高度两种模式34ppt课件恒流工作模式恒流工作模式35ppt课件恒流工作模式恒流工作模式36ppt课件天津理工大学纳米材料与技术研究中心探針保持固定的電流值探針保持固定的電流值，而而随随著著样品样品表面之起伏表面之起伏調整其高度調整其高度，以探針的以探針的高度高度变化变化來作為來作為样品样
19、品表表面的面的成成像像方式。方式。优点优点：可可扫描较扫描较大的高低大的高低变化变化。缺缺点点：扫描扫描速度速度较较慢，易受低頻慢，易受低頻杂信号干扰杂信号干扰。37ppt课件恒高工作模式恒高工作模式38ppt课件恒高工作模式恒高工作模式39ppt课件天津理工大学纳米材料与技术研究中心探針以固定的設定高探針以固定的設定高度，直接以度，直接以隧穿電流隧穿電流值的值的变化变化來作為表面來作為表面形形态态的的成成像方式像方式。优点优点：可快速可快速扫描扫描以以捕捉捕捉一些表面一些表面动态动态。缺缺点点：若若扫描扫描範圍內的範圍內的样样品表面起伏太大，則品表面起伏太大，則极极容易損容易損壞探針。壞探針
20、。40ppt课件天津理工大学纳米材料与技术研究中心利用利用STM進行原子表面修飾和单原子操進行原子表面修飾和单原子操纵纵，在，在单单分子分子、单原子单原子和和单电子器件单电子器件制作制作、高密度存储高密度存储、物物种再造种再造以及材料科學中的以及材料科學中的新新结构结构材料的材料的制造制造等領域等領域已经有深刻的应用背景。单原子操纵主要包括三个已经有深刻的应用背景。单原子操纵主要包括三个部分，即部分，即单原子的移单原子的移动动、提取提取和和放置放置，這些技术也，這些技术也是今是今后应用后应用单原子操纵，在表面上進行原子尺度的单原子操纵，在表面上進行原子尺度的结构结构甚至器件加工所必須的。甚至器
21、件加工所必須的。41ppt课件天津理工大学纳米材料与技术研究中心STM操纵原子操纵原子42ppt课件氙原子在镍氙原子在镍(110)表面表面排成的最小排成的最小IBM 商标商标铁原子在铜铁原子在铜(111)表面排成的汉字表面排成的汉字搬走原子写搬走原子写“中国中国”43ppt课件天津理工大学纳米材料与技术研究中心44ppt课件天津理工大学纳米材料与技术研究中心量子海市蜃楼量子海市蜃楼从一个焦点发出的从一个焦点发出的光经椭圆反射后照光经椭圆反射后照到另一个焦点到另一个焦点椭圆有两个焦点椭圆有两个焦点45ppt课件天津理工大学纳米材料与技术研究中心用用STM把把36个钴摆成椭圆形，称之为量子栅。在椭
22、圆的个钴摆成椭圆形，称之为量子栅。在椭圆的一个焦点上发出电子波，可在另一焦点明显看到电子波。一个焦点上发出电子波，可在另一焦点明显看到电子波。46ppt课件天津理工大学纳米材料与技术研究中心47ppt课件天津理工大学纳米材料与技术研究中心图所示的是在电解液图所示的是在电解液中得到的硫酸根离子中得到的硫酸根离子吸附在铜单晶吸附在铜单晶(111)(111)表面的表面的STMSTM图象。图图象。图中硫酸根离子吸附状中硫酸根离子吸附状态的一级和二级结构态的一级和二级结构清晰可见。清晰可见。液体中观察原子图象液体中观察原子图象48ppt课件天津理工大学纳米材料与技术研究中心霍乱毒素80nm Scan49
23、ppt课件 具有原子级分辨率具有原子级分辨率。水平分辨率小于水平分辨率小于0.1nm，垂直分辨率小，垂直分辨率小于于0.01nm。在。在STM下，导电物质的表面结构的原子、分子下，导电物质的表面结构的原子、分子状态清晰可见；状态清晰可见；STM 可得到可得到实时、真实的实时、真实的样品表面的高分辨率图像；样品表面的高分辨率图像；STM 的使用环境宽舒，既可以真空中工作，也可在大气中、的使用环境宽舒，既可以真空中工作，也可在大气中、低温、常温、高温甚至在溶液中使用；低温、常温、高温甚至在溶液中使用；STM 应用领域广泛。最初应用领域广泛。最初STM主要用于半导体表面的结构主要用于半导体表面的结构
24、和缺陷，目前在材料、物理、化学、生物、医学及微电子和缺陷，目前在材料、物理、化学、生物、医学及微电子等领域都有应用；等领域都有应用；局限性：局限性：STM基于隧道电流的工作原理决定了样品必须是基于隧道电流的工作原理决定了样品必须是导体或半导体导体或半导体，STM不适用于非导电材料的测量不适用于非导电材料的测量。STM也也无法探测样品的深层信息无法探测样品的深层信息。STM 特点和局限性特点和局限性50ppt课件原子力显微镜原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）AFM是通过微小的是通过微小的探针尖端的原子与样品表面原子之间探针尖端的原子与样品表面原子之间微弱的作用
25、力微弱的作用力来分析样品、操纵原子、分子。来分析样品、操纵原子、分子。AFM是针对是针对STM 不能不能直接观察绝缘体表面形直接观察绝缘体表面形貌貌的问题，在其基础上的问题，在其基础上发展起来的又一种表面发展起来的又一种表面分析仪器。分析仪器。51ppt课件天津理工大学纳米材料与技术研究中心原子间范德华力与距离之间的关系原子间范德华力与距离之间的关系52ppt课件53ppt课件天津理工大学纳米材料与技术研究中心AFM针尖针尖54ppt课件天津理工大学纳米材料与技术研究中心恒力模式恒力模式恒高度模式恒高度模式55ppt课件天津理工大学纳米材料与技术研究中心接触式接触式(contact mode)
26、接触式接触式 mode轻轻敲式敲式tapping or mode工作模式工作模式56ppt课件接触接触式式AFM(2-3 nm)是一是一种种排斥性排斥性的模式，探針尖端的模式，探針尖端与样与样品品之间之间做柔軟性的做柔軟性的“实际接触实际接触”，当当探針尖端探針尖端轻轻地扫过样品轻轻地扫过样品表表面時，面時，原子原子间产间产生生极极微弱的排斥力使探針微弱的排斥力使探針悬悬臂臂弯弯曲曲，从，从而得到而得到样样品的表面品的表面图象图象。由于由于排斥力排斥力对对距距离很离很敏感敏感，所以易得到，所以易得到原子原子分辨率分辨率。经过经过多次多次扫描后扫描后，探針或者，探針或者样样品品有鈍化現象。有鈍化
27、現象。在在扫描样品时扫描样品时可能可能会会使使样样品品表表面面变变形形，甚至会，甚至会破坏样破坏样品品，尤，尤其是其是对对軟性軟性材料材料。57ppt课件天津理工大学纳米材料与技术研究中心非接触非接触式式AFM(nm)是由于为非接触非接触状态，对于研究柔軟或有弹性样品較佳，探針探針不會有鈍化的不會有鈍化的现象现象 。所得到的信号很小，需要更灵敏的裝置；需要使用較坚硬的悬臂，以防与样品接觸有誤判現象58ppt课件天津理工大学纳米材料与技术研究中心轻敲式轻敲式 (间隙接触式)AFM ：探針以探針以振振荡荡方式方式在样在样品上品上跳跳动动，当，当探針振探針振荡荡至波谷至波谷時，時，微微接触样接触样品
28、品。样样品的品的表面不表面不平使探針振幅改平使探針振幅改变变，从从而得到而得到样样品的表面品的表面图象图象。比非接比非接触触式更式更靠近样品表面靠近样品表面，分辨率分辨率介介于于接接触触式式与与接接触触式式之間之間，破坏破坏品的品的几几率大為降低。率大為降低。探針有時会击中或轻打样品表面，对对很硬的很硬的样样品，品，高頻率敲高頻率敲击击会使会使探針針尖受損探針針尖受損，甚至留下，甚至留下残留残留物在物在样品样品表面表面。59ppt课件 利用利用AFM可以观察纳米材料的表面形貌，可以获得样品可以观察纳米材料的表面形貌，可以获得样品表面原子级的分辨图像。表面原子级的分辨图像。60ppt课件天津理工
29、大学纳米材料与技术研究中心 利用利用AFM可以在三维尺度上测可以在三维尺度上测量纳米粒子的大小，纵向分辨量纳米粒子的大小，纵向分辨率可达到率可达到 0.1nm；而；而TEM只能只能在横向尺度上测量纳米粒子、在横向尺度上测量纳米粒子、纳米结构的尺寸。纳米结构的尺寸。61ppt课件 AFM 可以用于操纵分子、原子，进行纳米尺度的结构加工可以用于操纵分子、原子，进行纳米尺度的结构加工和高密度信息的存储和高密度信息的存储62ppt课件Micro-probeThe above image shows micro probes being used in four probe electrical cha
30、racterization of a carbon nanotube bundle63ppt课件天津理工大学纳米材料与技术研究中心探針在金薄膜上刻出探針在金薄膜上刻出线状图案：线状图案：膜厚膜厚为为15nm15nm（上（上图）图）和和 20nm（下图），（下图），外加作用力外加作用力从左向右从左向右分別分別为为 22N、35N和和44N。64ppt课件天津理工大学纳米材料与技术研究中心外加作用力外加作用力与与刻痕深度刻痕深度的关系的关系 65ppt课件天津理工大学纳米材料与技术研究中心探針在氧化探針在氧化物物表面表面制制成的清成的清华华材料系徽材料系徽66ppt课件天津理工大学纳米材料与技术研
31、究中心 利用利用AFM可以进行纳米尺度的物性测量，可以对单根纳可以进行纳米尺度的物性测量，可以对单根纳米材料进行电学性质和力学性质测量。米材料进行电学性质和力学性质测量。使用使用AFMAFM尖端尖端对对病毒分子病毒分子進行進行弯弯曲曲与与旋旋转动转动作作的实的实验验。图图A-DA-D則為探針則為探針对对分分子子进行进行逆時針旋逆時針旋转转的的实验实验，黑色箭黑色箭头头則為施力方向。則為施力方向。(A)A)為起始為起始状态状态；(D)D)為旋為旋转动转动作結束作結束后后的的图象。图象。67ppt课件天津理工大学纳米材料与技术研究中心15 nm上图上图為以為以AFMAFM之尖端切之尖端切断断DNA
32、的力的力的的測量測量实验实验。图图a a中的箭中的箭头头方向表示探針的移動方向（由右向左切），而方向表示探針的移動方向（由右向左切），而图图 b b 則表示切則表示切过后过后所留下的一所留下的一个个15nm 的空隙的空隙(DNA分子長度為分子長度為 372nm)。68ppt课件天津理工大学纳米材料与技术研究中心利用利用AFMAFM来测来测量量金金纳米线的力学性质纳米线的力学性质69ppt课件天津理工大学纳米材料与技术研究中心利用利用AFMAFM来测来测量量碳纳米管碳纳米管的力学性质的力学性质70ppt课件利用利用AFM进行纳米器件研究进行纳米器件研究王中林小组研制的纳米王中林小组研制的纳米发电
33、机（发电机（ZnO阵列）阵列）71ppt课件磁磁 力力 显显 微微 镜（镜（MFM）MFM全名Magnetic Force Microscopy 磁力显微镜，主要的裝置与原子力显微镜相同，不同之处在于使用的是沿着其长度方向磁化了的磁性探针（镍探针或铁探针），基本原理是利用磁性探针和磁性样品表面间的磁作用力来感应磁力的梯度变化。当探针接近一块磁性样品时，探针尖端就会与样品中当探针接近一块磁性样品时，探针尖端就会与样品中磁畴磁畴相互作用而感受到磁力相互作用而感受到磁力，并使其，并使其共振频率发生变化共振频率发生变化，从而，从而改变其振幅改变其振幅。这样检测探针尖端的运动，就可以进而得到。这样检测探
34、针尖端的运动，就可以进而得到样品表面的磁特性及图象。样品表面的磁特性及图象。72ppt课件MFM工作原理工作原理73ppt课件天津理工大学纳米材料与技术研究中心采取采取两段式扫描两段式扫描，利用，利用原子力显微鏡得到原子力显微鏡得到样品样品外形外形轮廓轮廓，然，然后再把探針拉高，使探針沿着原路后再把探針拉高，使探針沿着原路径的径的轨迹轨迹作第二次扫描，作第二次扫描，然然后記后記录探針振动頻率、相位或振幅变化，以此方式同時测录探針振动頻率、相位或振幅变化，以此方式同時测量取表面量取表面状态状态及磁力及磁力图象图象。74ppt课件天津理工大学纳米材料与技术研究中心MFMMFM与与一般一般电电子子显
35、显微鏡比較微鏡比較75ppt课件天津理工大学纳米材料与技术研究中心MFM/AFM图象比較此此样品样品為在為在Ni薄膜上放置薄膜上放置CuCu76ppt课件静电力显微镜（静电力显微镜（EFM）在静电力显微镜中，针尖和样品起到一个平行板电容器中在静电力显微镜中，针尖和样品起到一个平行板电容器中两两块极板的作用块极板的作用。当其在样品表面扫描时，其振动的振幅受到。当其在样品表面扫描时，其振动的振幅受到样品中电荷产生的静电力的影响。利用这一现象，就可以通样品中电荷产生的静电力的影响。利用这一现象，就可以通过扫描时获得的静电力图象来研究样品的表面信息。过扫描时获得的静电力图象来研究样品的表面信息。下图为
36、2.5mX2.5m的蓝宝石表面EFM图象，用排斥力获得图象用排斥力获得图象用静电吸引力获得图象用静电吸引力获得图象77ppt课件扫描探针显微镜扫描探针显微镜(SPMSPM)家族主要成员家族主要成员78ppt课件三、三、X-射射 线线 衍衍 射射 分分 析析X-射线衍射射线衍射分析分析（X-ray Diffraction，简称，简称 XRD）Wilhelm Conrad Rntgen discovered the X-rays in 1895.In 1901 he was honoured with the Nobel prize for physics.In 1995 the German F
37、ederal Mail edited a stamp dedicated to W.C.Rntgen.79ppt课件日本理学日本理学D/MAX-2000PC X-射线衍射仪射线衍射仪80ppt课件A modern Diffractometer81ppt课件sin2nd布拉格定律布拉格定律（Braggs law）d 为相邻平行晶面的面间为相邻平行晶面的面间距，距，为为入射角，入射角，为为入入射射波长，波长，n 为衍射级数。为衍射级数。满足这个方程则产生衍射。满足这个方程则产生衍射。82ppt课件亨利亨利布拉格布拉格(18621942)布拉格父子分享了布拉格父子分享了1915年的诺贝尔物理学奖年的
38、诺贝尔物理学奖 父亲亨利父亲亨利布拉格和儿子劳伦布拉格和儿子劳伦斯斯布拉格（布拉格（1890 1970）83ppt课件X-射线衍射分析在纳米材料研究中的应用射线衍射分析在纳米材料研究中的应用 物相结构分析物相结构分析 可以进行纳米晶的物相鉴定、晶化分析可以进行纳米晶的物相鉴定、晶化分析30405060(103)(110)(102)(101)(002)(100)Intensity(a.u.)2 (deg)ZnO 纳纳 米米 点点 阵阵 列列 可以测量纳米材料的平均晶粒的大小可以测量纳米材料的平均晶粒的大小 可以原位进行纳米材料结构相变的分析可以原位进行纳米材料结构相变的分析84ppt课件四、纳米
39、材料的四、纳米材料的尺寸评估和粒度分析晶粒晶粒：是指单晶颗粒，即颗粒内为单相，无晶界：是指单晶颗粒，即颗粒内为单相，无晶界颗颗粒粒一次颗粒一次颗粒：为含有低气孔率的独立粒子，：为含有低气孔率的独立粒子，可为单晶，也可为多晶。可为单晶，也可为多晶。二次颗粒二次颗粒：是人为制造的团聚粒子是人为制造的团聚粒子，例如例如制备陶瓷的工艺过程中所指的制备陶瓷的工艺过程中所指的“造粒造粒”就是制造二次就是制造二次颗颗粒。粒。团团 聚聚 体体：是由一次颗粒通过表面力固体：是由一次颗粒通过表面力固体桥键作用形成更大的颗粒。桥键作用形成更大的颗粒。纳米粒子一般是指纳米粒子一般是指一次颗粒，一次颗粒，它的结构可以为
40、晶态、非晶态和准晶态。可以是单相、多相或多晶结构。只有一次颗粒为只有一次颗粒为单晶时，颗粒的粒径才与晶粒尺寸相同单晶时，颗粒的粒径才与晶粒尺寸相同85ppt课件天津理工大学纳米材料与技术研究中心球形颗粒：球形颗粒的粒径是指颗粒的直径球形颗粒：球形颗粒的粒径是指颗粒的直径不规则颗粒：不规则颗粒：形状不规则或不对称的颗粒用长、宽、高的形状不规则或不对称的颗粒用长、宽、高的某种平均值来表示，称为某种平均值来表示，称为几何粒径几何粒径。由于几。由于几何粒径计算繁锁，可以通过测量其比表面积、何粒径计算繁锁，可以通过测量其比表面积、光波衍射等性质来测定的等效直径称为光波衍射等性质来测定的等效直径称为等当等
41、当直径直径(当量直径当量直径)。颗颗 粒粒 尺尺 寸寸 定定 义义测量纳米粒子尺寸的方法：测量纳米粒子尺寸的方法：电镜观察法、电镜观察法、XRD XRD 线宽法、比线宽法、比表面积法、表面积法、X X射线小角度法、拉曼散射法、高速离心沉降法射线小角度法、拉曼散射法、高速离心沉降法和激光粒度分析法等和激光粒度分析法等86ppt课件透透 射射 电电 镜镜 统统 计计 观观 察察 法法透射电镜法是一种直接测定纳米粒子透射电镜法是一种直接测定纳米粒子颗粒度颗粒度的绝对方法，它的绝对方法，它具有可靠性和直观性。利用透射电镜可以测量纳米粒子的平具有可靠性和直观性。利用透射电镜可以测量纳米粒子的平均粒径或的
42、粒径分布。均粒径或的粒径分布。87ppt课件dn=(Di)/ni dn为平均为平均粒径，粒径，Di 为测量的颗粒为测量的颗粒粒径粒径注意注意：透射电镜统计法：透射电镜统计法法法测量的是纳米粒子的颗粒度测量的是纳米粒子的颗粒度88ppt课件X-X-射射 线线 衍衍 射射 线线 宽宽 法法XRD 测定测定晶粒度是基于晶粒度是基于衍射线的宽度与材料晶衍射线的宽度与材料晶粒大小有关这一原理。粒大小有关这一原理。纳 米纳 米晶 粒 的 大 小 可 用晶 粒 的 大 小 可 用Scherrer公式计算：公式计算：D=K/B1/2cos 1/2h hB1/22 式中式中D为沿晶面垂直方向的厚度（也可认为是晶
43、粒为沿晶面垂直方向的厚度（也可认为是晶粒大小），大小），K为为Scherrer常数（常数（K 0.9），），为射线为射线波长，波长，B1/2为衍射峰的半高宽，为衍射峰的半高宽，为为布拉格布拉格衍射角。衍射角。89ppt课件(a)instrument broadening(b)1m mm particles(c)100 nm(d)10 nm(e)5 nmcos9.022smBBtD =Bs 为仪器宽度为仪器宽度Bm 为样品宽度为样品宽度注意注意：XRD线宽法线宽法测量的是纳米粒子的晶粒度测量的是纳米粒子的晶粒度B1/2 =cos9.022smBBt或或 B1/2 =Bm Bs90ppt课件例：纳
44、米材料样品在例：纳米材料样品在2 2 =45=45o o处的半高宽处的半高宽Bm=0.9=0.9o o,仪器本仪器本身使该处衍射峰展宽的半高宽身使该处衍射峰展宽的半高宽B Bs s=0.1=0.1o o，请利用谢乐，请利用谢乐（ScherrerScherrer）公式计算该样品的平均晶粒尺寸。（）公式计算该样品的平均晶粒尺寸。（K=0.9K=0.9，=0.15406 nm=0.15406 nm）B1/2 =cos9.022smBBt=0.79 0.79o o=0.0138或或 B1/2 =Bm Bs =0.8o=0.0139 cos9.022smBBtD =0.9x0.15406=0.0138x
45、cos 22.5o o=10.9nm91ppt课件天津理工大学纳米材料与技术研究中心1.1.纳米材料样品在纳米材料样品在2 =90o处的半高宽处的半高宽Bs=0.7575o,仪仪器本身使该处衍射峰展宽的半高宽器本身使该处衍射峰展宽的半高宽Bm=0.15o，请利用谢乐（请利用谢乐（Scherrer）公式计算该样品的平均）公式计算该样品的平均晶粒尺寸。（晶粒尺寸。（K=0.89，=0.15406 nm）2.2.简单说明用透射电镜观察法法和简单说明用透射电镜观察法法和X-X-射线衍射线宽射线衍射线宽法测量的纳米材料尺寸有何差别？法测量的纳米材料尺寸有何差别？测测 验验 题题92ppt课件93ppt课件
