透射电镜比较适合纳米粉体样品的形貌分析

现代分析方法纳米材料的表征与测试技术分析科学现代方法正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，各行各业都离不开它。

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。

纳米科学和技术是在纳米尺度上（0.1-100nm之间）研究物质(包括原子、分子)的特性和相互作用，并且利用这些特性的多学科的高科技。

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。

纳米技术与纳米材料是一个典型的新兴高技术领域。

虽然许多研究人员已经涉足了该领域的研究，但还有很多研究人员以及相关产业的从业人员对纳米材料还不很熟悉，尤其是如何分析和表征纳米材料、如何获得纳米材料的一些特征信息。

为了满足纳米科技工作者的需要，本文对纳米材料的一些常用分析和表征技术，主要从纳米材料的成分分析、形貌分析、粒度分析、结构分析以及表面界面分析等几个方面进行简要阐述。

1. 纳米材料的粒度分析1.1粒度分析的概念大部分固体材料均是由各种形状不同的颗粒构造而成，因此，细微颗粒材料的形状和大小对材料结构和性能具有重要的影响。

尤其对纳米材料，其颗粒大小和形状对材料的性能起着决定性的作用。

因此，对纳米材料的颗粒大小、形状的表征和控制具有重要意义。

一般固体材料颗粒大小可以用颗粒粒度概念来表述。

对于不同原理的粒度分析仪器，所依据的测量原理不同，其颗粒特性也不同，只能进行有效对比，不能进行横向直接对比。

由于粉体材料颗粒形状不可能都是均匀球形的，有各种各样的结构，因此，在大多数情况下粒度分析仪所测的粒径是一种等效意义上的粒径，和实际的颗粒大小分布会有一定的差异，因此只具有相对比较的意义。

此外，各种不同粒度分析方法获得的粒径大小和分布数据也可能不能相互印证，不能进行绝对的横向比较。

1样品物象的表征包括形貌、粒度和晶相三个方面。

物相分析一般使用X－射线粉末衍射仪（XRD）和电子显微镜。

形貌和粒度可通过扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）直接观测到粒子的大小和形状。

但由于电镜只能观测局部区域，可能产生较大的统计误差。

晶粒（注意粒子的大小和晶粒的大小不是一个概念，在多数情况下纳米粒子是由多个完美排列的晶粒组成的）的晶相和大小，虽然也可通过更强的场发射透镜（HRTEM）得到，但是机器昂贵、操作复杂，所以实验室一般使用X－射线粉末衍射仪。

下面就简单介绍两种大型分析仪器：XRD和TEM。

X－射线仪(XRD)当高速电子撞击靶原子时，电子能将原子核内K层上一个电子击出并产生空穴，此时具有较高能量的外层电子跃迁到K层，其释放的能量以X－射线的形式（K系射线，电子从L层跃迁到K层称为Kα）发射出去。

X－射线是一种波长很短的电磁波，波长范围在0.05～0.25 nm之间。

常用铜靶的波长为0.152nm。

它具有很强的穿透力。

X－射线仪主要由X光管、样品台、测角仪和检测器等部件组成。

XRD物相定性分析物相定性分析的目的是利用XRD衍射角位置以及强度，鉴定未知样品是由哪些物相组成。

它的原理是：由各衍射峰的角度位置所确定的晶面间距d以及它们的相对强度I/ I1是物质的固有特性。

每种物质都有其特定的晶体结构和晶胞尺寸，而这些又与衍射角和衍射强度有着对应关系，因此，可以根据衍射数据来鉴别物质结构。

通过将未知物相的衍射花样与已知物质的衍射花样相比较，逐一鉴定出样品中的各种物相。

目前，可以利用粉末衍射卡片进行直接比对，也可以计算机数据库直接进行检索。

XRD粒度分析纳米材料的晶粒尺寸大小直接影响到材料的性能。

XRD可以很方便地提供纳米材料晶粒度的数据。

测定的原理基于样品衍射线的宽度和材料晶粒大小有关这一现象。

当晶粒小于100 nm时，其衍射峰随晶粒尺寸的变大而宽化。

当晶粒大于100 nm时，宽化效应则不明显。

透射电镜的原理和应用透射电镜（Transmission Electron Microscope，简称TEM）是一种使用电子束来对物质进行成像和分析的先进仪器。

相对于光学显微镜，透射电镜的分辨率更高，可以观察到更小尺寸的物体和更细微的细节。

下文将详细介绍透射电镜的原理和应用。

一、原理透射电镜的工作原理基于电子的波粒二象性。

当高速电子束穿过薄样品时，电子与样品原子发生散射或透射，这些散射和透射电子可以通过其中一种方式被聚焦后投射到屏幕上形成影像。

透射电镜的主要组成部分包括电子源、电子透镜系统、样品台、检测器和成像系统。

2.电子透镜系统：透射电镜中使用的电子透镜系统包括凸透镜、凹透镜和电磁透镜等，用于聚焦和控制电子束的路径。

3.样品台：样品台用于固定和支持待观察的样品。

在样品台上放置薄到几十纳米的切片样品，以便电子束能够透过。

4.检测器：透射电镜中常用的检测器包括透射电子探测器（TED）、散射电子探测器（SED）和能量散射光谱仪（EDS）等。

TED用于接收透射电子并产生明亮的影像，SED用于检测和分析散射电子的信息，EDS用于分析样品中的元素组成。

5.成像系统：透射电镜的成像系统包括投影屏幕、摄像机和电子显微图像处理设备。

通过调整电子透镜系统，可以将电子束上的信息转换成实时图像并显示在投影屏幕上。

二、应用透射电镜在材料科学、生物科学、纳米科学等领域有广泛的应用。

以下是透射电镜的几个主要应用。

1.结构表征：透射电镜可以用于观察材料的结构和形貌。

它能够提供高分辨率的图像，揭示物质的晶体结构、晶体缺陷、晶界和相界等微观结构信息。

2.成分分析：透射电镜结合能量散射光谱仪（EDS）可以分析样品中元素的组成。

EDS通过测量样品上散射电子的能量，确定样品中元素的成分和含量。

3.纳米材料研究：透射电镜可以研究和制备纳米尺寸的材料。

通过观察和测量纳米材料的形貌、尺寸和结构，可以了解纳米材料的特性和性能，并指导纳米材料的设计和合成。

纳米尺度下的材料表征方法与技巧随着纳米科技的不断发展，纳米材料的研究和应用已经深入到各个领域。

纳米材料的特殊性质和表征成为了研究人员关注的焦点之一。

在纳米尺度下，传统的材料表征方法已经无法满足需求，因此发展出了一系列针对纳米材料的表征方法与技巧。

本文将介绍几种常见的纳米尺度下的材料表征方法，并探讨其应用和局限性。

一、透射电子显微镜（TEM）透射电子显微镜是研究纳米尺度材料中结构和成分的重要工具。

TEM可以提供高分辨率的成像，并能够观察到材料的晶格结构、界面和缺陷等信息。

通过TEM，研究人员可以直接观察到纳米尺度下的材料形貌和结构特征，如颗粒大小、形状和分布等。

然而，TEM的应用也存在一些限制。

首先，样品制备对于TEM观察非常关键，需要制备出透明度较高的薄片样品。

其次，TEM对于样品的尺寸有一定要求，太小的样品可能会导致信号噪音比较大。

二、原子力显微镜（AFM）原子力显微镜是一种能够实现纳米尺度下的表面形貌和机械性能表征的工具。

AFM通过探针与样品表面的相互作用，可以测量出样品表面的高度和力学性质。

通过AFM，研究人员可以观察到纳米尺度下的表面形貌、纳米颗粒的尺寸和形状，甚至可以对纳米颗粒进行力学测试。

然而，AFM也存在一些局限性。

首先，AFM的观察范围相对较小，一次只能观察到个别颗粒。

其次，AFM的准确度受到多种因素的影响，如探针质量、环境湿度等。

三、拉曼光谱拉曼光谱是一种基于物质分子的振动和旋转能级跃迁而产生的光谱。

利用激光照射材料，测量散射的光强度和频移，可以得到纳米材料的化学成分和结构信息。

通过拉曼光谱，研究人员可以检测到纳米材料的结构、晶格振动和分子间相互作用等信息。

然而，拉曼光谱也存在一些挑战。

首先，信号强度较弱，需要较长的测量时间。

其次，对于一些化学组成较复杂的材料，拉曼光谱的解析和归属可能较为困难。

四、X射线衍射（XRD）X射线衍射是一种通过材料晶体结构对X射线的衍射现象进行分析的方法。

《纳米材料》复习题《纳米材料》复习题一、名词解释1. 量子尺寸效应当粒子尺寸下降到一定值时, 颗粒的周期性边界条件消失，在声、光、电磁、热力学及超导性等与宏观特性显著不同.金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象，纳米半导体微粒存在不连续的最高能级占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级的能隙变宽现象均称为量子尺寸效应。

2. 纳米材料是指材料的几何尺寸达到纳米级尺度,并且具有特殊性能的材料。

3. 共沉淀在混合的金属盐溶液(含有两种或两种以上的金属离子)中加入合适的沉淀刹，反应生成组成均匀的沉淀。

沉淀热分解得到高纯超微粉体材料。

4. 压电效应没有电场作用，由机械应力的作用而使电解质晶体产生极化并形成晶体表面电荷的现象称为压电效应。

5. 机械力化学物料粒子受到机械力作用而被粉碎时，还会发生物质结构及表面物理化学性质的变化，这种因机械载荷作用导致粒子晶体结构和物理化学性质的变化称为机械力化学。

6. 小尺寸效应当纳米粒子的尺寸与光波波长、德布罗意波长、超导态的相干长度或(与)磁场穿透深度相当或更小时，晶体周期性边界条件将被破坏，非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近的原子密度减小，导致声、光、电、磁、热力学等特性出现异常的现象---小尺寸效应。

7. 热压烧结将干燥粉料充填入模型内，再从单轴方向边加压边加热，使成型和烧结同时完成的一种烧结方法。

8. 均匀沉淀利用某一化学反应，使溶液中的构晶离子（构晶负离子或构晶正离子）由溶液中缓慢、均匀地释放出来，通过控制溶液中沉淀剂浓度，使溶液中的沉淀处于平衡状态，且沉淀能在整个溶液中均匀地出现，这种制备纳米粒子的方法称为均相沉淀法。

9. 溶胶凝胶方法溶胶凝胶法是指金属有机和无机化合物经过溶液、溶胶、凝胶而固化，再经热处理而形成氧化物或其它化合物纳米材料的方法。

10. 纳米复合材料是指尺度为1 nm一100 nm的超微粒经压制、烧结或溅射而成的凝聚态固体。

它具有断裂强度高、韧性好，耐高温等特性。

成分分析成分分析按照分析对象和要求可以分为微量样品分析和痕量成分分析两种类型。

按照分析的目的不同，又分为体相元素成分分析、表面成分分析和微区成分分析等方法。

体相元素成分分析是指体相元素组成及其杂质成分的分析，其方法包括原子吸收、原子发射ICP、质谱以及X射线荧光与X射线衍射分析方法；其中前三种分析方法需要对样品进行溶解后再进行测定，因此属于破坏性样品分析方法；而X射线荧光与衍射分析方法可以直接对固体样品进行测定因此又称为非破坏性元素分析方法。

表面与微区成份分析X射线光电子能谱（X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS）；（10纳米，表面）俄歇电子能谱（Auger electron spectroscopy，AES）；（6nm，表面）二次离子质谱（Secondary Ion Mass Spectrometry, SIMS）；（微米，表面）电子探针分析方法；（0.5微米，体相）电镜的能谱分析；（1微米，体相）电镜的电子能量损失谱分析；（0.5nm）为达此目的，成分分析按照分析手段不同又分为光谱分析、质谱分析和能谱分析。

光谱分析主要包括火焰和电热原子吸收光谱AAS，电感耦合等离子体原子发射光谱ICP-OES，X-射线荧光光谱XFS和X-射线衍射光谱分析法XRD；（1）原子吸收光谱（Atomic Absorption Spectrometry, AAS）又称原子吸收分光光度分析。

原子吸收光谱分析是基于试样蒸气相中被测元素的基态原子对由光源发出的该原子的特征性窄频辐射产生共振吸收，其吸光度在一定范围内与蒸气相中被测元素的基态原子浓度成正比，以此测定试样中该元素含量的一种仪器分析方法。

原子吸收分析特点：（a）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；（b）适合对纳米材料中痕量金属杂质离子进行定量测定，检测限低，ng/cm3，10-10—10-14g；（c）测量准确度很高，1%（3—5%）；（d）选择性好，不需要进行分离检测；（e）分析元素范围广，70多种；应该是缺点（不确定）：难熔性元素，稀土元素和非金属元素，不能同时进行多元素分析；（2）电感耦合等离子体原子发射光谱(Inductivelycoupledplasmaatomicemissionspectrometry,ICP-AES)ICP是利用电感耦合等离子体作为激发源，根据处于激发态的待测元素原子回到基态时发射的特征谱线对待测元素进行分析的方法；可进行多元素同时分析，适合近70种元素的分析；很低的检测限，一般可达到10-1～10-5μg/cm-3；稳定性很好，精密度很高，相对偏差在1%以内，定量分析效果好；线性范围可达4～6个数量级；但是对非金属元素的检测灵敏度低。

失效分析常用工具介绍透射电镜（TEM）TEM一般被使用来分析样品形貌（morhology），金相结构（crystallographic structure）和样品成分分析。

TEM比SEM系统能提供更高的空间分辨率，能达到纳米级的分辨率，通常使用能量为60-350keV的电子束。

与TEM需要激发二次电子或者从样品表面发射的电子束不同，TEM收集那些穿透样品的电子。

与SEM一样，TEM使用一个电子枪来产生一次电子束，通过透镜和光圈聚焦之后变为更细小的电子束。

然后用这种电子束轰击样品，有一部分电子能穿透样品表面，并被位于样品之下的探测器收集起来形成影像。

对于晶体材料，样品会引起入射电子束的衍射，会产生局部diffraction intensity variations，并能够在影像上非常清晰的显现出来。

对于无定形材料，电子在穿透这些物理和化学性质都不同的材料时，所发生的电子散射情况是不相同的，这就能形成一定的对比在影像观察到。

对于TEM分析来说最为关键的一步就是制样。

样品制作的好坏直接关系到TEM能否有效的进行观察和分析，因此，在制样方面多加努力对于分析者来说也是相当必要的工作。

扫描声学显微镜集成电路封装的可靠性在许多方面要取决于它们的机械完整性.由于不良键合、孔隙、微裂痕或层间剥离而造成的结构缺陷可能不会给电性能特性带来明显的影响,但却可能造成早期失效.C模式扫描声学显微镜(C—SAM)是进行IC封装非破坏性失效分析的极佳工具,可为关键的封装缺陷提供一个快速、全面的成象.并能确定这些缺陷在封装内的三维方位.这一C—SAM系统已经在美国马里兰州大学用于气密性(陶瓷)及非气密性(塑料)IC封装的可靠性试验。

它在塑料封装常见的生产缺陷如:封装龟裂、叶片移位、外来杂质、多孔性、钝化层龟裂、层间剥离、切断和断裂等方面表现出字串1俄歇电子（Auger Analysis ）是一种针对样品表面进行分析的失效分析技术。

第2章纳米材料的形貌分析2.1 前言2.1.1形貌分析的重要性材料的形貌尤其是纳米材料的形貌也是材料分析的重要组成部分材料的很多重要物理化学性能是由其形貌特征所决定的。

对于纳米材料其性能不仅与材料颗粒大小还与材料的形貌有重要关系。

如颗粒状纳米材料与纳米线和纳米管的物理化学性能有很大的差异。

因此纳米材料的形貌分析是纳米材料研究的重要内容。

形貌分析的主要内容是分析材料的几何形貌材料的颗粒度及颗粒度的分布以及形貌微区的成份和物相结构等方面。

2.1.2形貌分析的种类和适用范围纳米材料常用的形貌分析方法主要有扫描电子显微镜、透射电子显微镜、扫描隧道显微镜和原子力显微镜。

扫描电镜和透射电镜形貌分析不仅可以分析纳米粉体材料还可以分析块体材料的形貌。

其提供的信息主要有材料的几何形貌粉体的分散状态纳米颗粒大小及分布以及特定形貌区域的元素组成和物相结构。

扫描电镜对样品的要求比较低无论是粉体样品还是大块样品均可以直接进行形貌观察。

扫描电镜分析可以提供从? 擅椎胶撩追段 诘男蚊蚕窆鄄焓右按笃浞直缏室话阄?纳米对于场发射扫描电子显微镜其空间分辩率可以达到0.5纳米量级。

透射电镜具有很高的空间分辩能力特别适合纳米粉体材料的分析。

其特点是样品使用量少不仅可以获得样品的形貌颗粒大小分布以还可以获得特定区域的元素组成及物相结构信息。

透射电镜比较适合纳米粉体样品的形貌分析但颗粒大小应小于300nm否则电子束就不能透过了。

对块体样品的分析透射电镜一般需要对样品进行减薄处理。

扫描隧道显微镜主要针对一些特殊导电固体样品的形貌分析。

可以达到原子量级的分辨率但仅适合具有导电性的薄膜材料的形貌分析和表面原子结构分布分析对纳米粉体材料不能分析。

扫描原子力显微镜可以对纳米薄膜进行形貌分析分辨率可以达到几十纳米比STM差但适合导体和非导体样品不适合纳米粉体的形貌分析。

总之这四种形貌分析方法各有特点电镜分析具有更多的优势但STM和AFM 具有可以气氛下进行原位形貌分析的特点。