第四章 一维纳米材料
第五章 纳米材料的表征
例一、热氧化法制备WO 2.9纳米棒 利用SEM 知道了棒的集体形貌、大体尺寸、取向特性等。 利用XRD 分析获取了纳米棒的晶体结构以及取向分布等信息。利用TEM 、SAD 、HRTEM 、EDS 等分析可以获取单根纳米棒的结构、直径、化学成分、生长方向等信息。 例一、热氧化法制备纳米棒 材料的分析与表征概述
Raman 光谱和光致发光谱给出了化学键合和光学性能信息。 JEOL－200CX 分析型透射电镜 透射电镜观察法(TEM观察法). 透射电镜观察法(TEM观察法). 纳米TiO2晶粒尺寸分布 ?C 透射电镜观察法(TEM观察法).
Ｘ射线法 Ｘ射线法Ｘ射线法比表面积法 比表面积法 方程：吸附质分压P0: 吸附剂饱和蒸汽压 V之间的数量关系，为比表面积测定提供了很好的理论基础。 轴，为方程做图进行线性拟合，得到直线的斜率和截距，从而求得值计算出被测样品比表（二）纳米材料的颗粒尺寸与粒度分析拉曼散射法 拉曼原理：当一束波长为λ的光照射到物质上之后，一部分拉曼散射与粉体粒径的关系：
拉曼散射法 z 特点：灵敏度较低，一般只能测定样品中含量在1%以上的物相，同时，定 量测定的准确度也不高，一般在1%的数量级。 z 所需样品量大（0.1g），才能得到比较准确的结果，对非晶样品不能分析。z 样品的颗粒度对X射线的衍射强度及重现性有大的影响。一般颗粒越大，则参与衍射的晶粒数就越少，且产生初级消光效应，使得强度的重现性较差。 z 要求粉体样品的颗粒度大小在0.1 ～10μm范围。对吸收系数大的样品，参加衍射的晶粒数减少，也会使重现性变差。因此在选择参比物质时，尽可能选择结晶完好，晶粒小于5μm，吸收系数小的样品。 z 可采用压片，胶带粘以及石蜡分散的方法进行制样。由于X射线的吸收与其质量密度有关，因此要求样品制备均匀，否则会严重影响定量结果的重现性 （三）纳米材料的结构形貌分析 X射线衍射结构/物相分析： XRD 物相分析是基于多晶样品对X 射线的衍射效应，对样品中各组分的存在形态进行分析。测定结晶情况，晶相，晶体结构及成键状态等等。可以确定各种晶态组分的结构和含量。 为薄膜调制周期
准一维纳米结构的电子显微学研究
电子显微学报980514 电子显微学报 科技期刊 Journal of Chinese Electron Microscopy Society 1998年 第十七卷 第五期（总第79期） 准一维纳米结构的电子显微学研究 白志刚 张洪洲 丁 杭青岭 俞大鹏 冯孙齐 (北京大学电子光学及电子显微镜实验室，北京 100871) (北京大学物理系介观物理国家重点实验室，北京 100871) 自从1991年，Iijima发现纳米碳管［1］以来，一系列准一维纳米材料被相继用不同 方法合成出来。由于其独特的结构特性和因此而具有的不同于体材料的新颖的物理性 质，这些准一维纳米材料有着很大的基础研究价值和潜在的应用价值，因而受到人们 的广泛研究和关注。 最近，我们利用脉冲激光沉积及物理蒸发的方法，合成出了硅纳米线(SiNW)［2， 3］及GeO-2纳米线(GeONW)，并利用X射线衍射、透射电镜(包括EDS)等手段对这些材 料的化学组成、形态、显微结构、缺陷和生长机理等进行了研究。 将Si粉(纯度99%)和Fe粉按重量比95∶5混合，热压成靶，放在一根由高温管式电炉 加热，可抽负压的石英管内，在流动的Ar气氛下(压力2.67×104Pa)，1200℃高温下蒸 发，得到了一种暗黄色海绵状产物，该产物即为硅纳米线。我们发现，用激光蒸发或 简单的物理升华法，都能得到硅纳米线，两种情况下产物的形态、结构完全相同；而 且，这种方法具有很好的可重复性。图1为典型的硅纳米线低倍透射电子显微像。由图 中可见，硅纳米线为表面光滑的准一维结构，且纯度极高(～99%)，直径分布均匀 (15nm±3nm)，长度从几十到几百微米。图1左上角插图为硅纳米线的选区电子衍射(SAED)花样，为典型的多晶硅衍射环，其中前三个环分别对应于｛111｝、｛220｝和 ｛311｝平面族的衍射，相应的晶面间距分别为0.31nm,0^19nm和0.16nm。X射线衍射结 果显示，硅纳米线的全部衍射峰与多晶硅粉末不仅位置完全相同，相对强度也完全一 致。这进一步说明硅纳米线与大块硅结构相同。根据X射线衍射最强峰计算，硅纳米 线的晶格常数较大块硅有些轻微膨胀(～0.4%)。 高分辨透射电镜分析(HREM)给出硅纳米线更多的结构细节。图2为单根硅纳米线 的HREM像。图中可见一维和二维的{111}晶格条纹，对应晶面间距为0.31nm。从图中 可以看出，在硅纳米线的外面有一层厚2—3nm的非晶层，估计来源于因暴露空气而导 致的表面氧化，这层非晶可用稀HF溶液溶掉。对大量硅纳米线的HREM观察结果的统 计表明，硅纳米线的一般生长方向为〈112〉方向。这与传统的VLS(vapor-liquid-solids) 晶体生长模型［5］中硅的〈111〉生长方向有所不同。另外，HREM分析还显示，在硅 纳米线中存在大量的层错、微孪晶和小角晶界等结构缺陷。这些结构缺陷被认为与硅 纳米线的成核、生长及其形貌有密切的关系［4］。以上这些证据使我们认为，硅纳米 线是按一种不同于VLS模型的机制生长；在这种机制中，结构缺陷及原子气团的定向 运动对硅纳米线的一维择优生长起重要作用。 利用同样的物理蒸发的方法，我们还制备出了GeO-2纳米线。靶材料由高纯Ge粉 file:///E|/qk/dzxwxb/980514.htm（第 1／3 页）2010-3-22 18:37:28
纳米材料的表征特性
纳米材料的表征特性 1:表面与界面效应 球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积(表面积/体积)与直径成反比。随着颗粒直径变小，比表面积将会显著增大，说明表面原子所占的百分数将会显著增加。对直径大于0.1μm的颗粒的表面效应可忽略不计，当尺寸小于0.1μm时，其表面原子百分数急剧增长，甚至1g超微颗粒表面积的总和可高达l00m2，这时的表面效应将不容忽略。超微颗粒的表面与大块物体的表面是十分不同的，若用高倍率电子显微镜对金超微颗粒(直径为2×10-3μm)进行电视摄像，实时观察发现这些颗粒没有固定的形态，随着时间的变化会自动形成各种形状(如立方八面体，十面体，二十面体多粒晶等)，它既不同于一般固体，又不同于液体，是一种准固体。在电子显微镜的电子束照射下，表面原子仿佛进入了“沸腾”状态，尺寸大于10nm后才观察不到这种颗粒结构的不稳定性，这时微颗粒具有稳定的结构状态。超微颗粒的表面具有很高的活性，在空气中金属颗粒会迅速氧化且燃烧。如要防止自燃，可采用表面包覆或有意识地控制氧化速率，使其缓慢氧化生成一层极薄且致密的氧化层，确保表面稳定化。利用表面活性，金属超微颗粒有望成为新一代的高效催化剂、储气材料或低熔点材料。 2:小尺寸效应 当纳米粒子的尺寸与光波的波长、传导电子的德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理尺寸相当或比它们更小时，周期性的边界条件被破坏，声、光、电、磁、热力学特性等均会随着粒子尺寸的减小发生显著的变化。这种因尺寸的减小而导致的变化称为小尺寸效应，也叫体积效应。如纳米粒子的熔点可远低于块状固体，此特性为粉末冶金工业提供了新工艺；利用等离子共振频移随颗粒尺寸变化的性质，可以通过改变颗粒尺寸，控制吸收边的位移，构造具有一定频宽的微波吸收纳米材料，用于电磁波屏蔽、隐形飞机等。材料的硬度和强度随着晶粒尺寸的减小而增大，不少纳米陶瓷材料的硬度和强度比普通材料高4—5
一维纳米材料的制备概述
学年论文 ` 题目：一维纳米材料的制备方法概述 学院：化学学院 专业年级：材料化学2011级 学生姓名：龚佩斯学号：20110513457 指导教师：周晴职称：助教
2015年3月26日 成绩 一维纳米材料制备方法概述 --气相法、液相法、模板法制备一维纳米材料 材料化学专业2011级龚佩斯 指导教师周晴 摘要：一维纳米材料碳纳米棒、碳纳米线等因其独特的用途成为国内外材料科学家的研究热点。然而关于如何制备出高性能的一维纳米材料正是各国科学家所探究的问题。本文概述了一维纳米材料的制备方法：气相法、液相法、模板法等。 关键词：一维纳米材料；制备方法；气相法；液相法；模板法 Abstract: the nanoscale materials such as carbon nanorods and carbon nanowires have become the focus of intensive research owing to their unique applications. but the question that how to make up highqulity one-dimentional nanostructure is discussing by Scientists all around the world. This parper has reviewed the preparation of one dimention nanomaterials ,such as vapor-state method, liqulid -state method ，template method and so on. Key words: one-dimention nanomaterials ; preparatinal method ; vapor-state method liqulid-state method ; template method 纳米材料是基本结构单元在1nm ~100nm之间的材料，按其尺度分类包括零维、一维、二维纳米材料。自80年代以来，零维纳米材料不论在理论上和实践中均取得了很大的进展；二维纳米材料在微型传感器中也早有应用。[1]一维纳米材料因其特殊的结构效应在介观物理、纳米级结构方面具有广阔的应用前景，它的制备研究为器件的微型化提供了材料基础。本文主要概述了近年来文献关于一维纳米材料的制备方法。 1 一维纳米材料的制备方法 近几年来，文献报导了制备一维纳米材料的多种方法，如溶胶-凝胶法、气相-溶液-固相法、声波降解法、溶剂热法、模板法、化学气相沉积法等。然而不同制备方法的纳米晶体生长机制各异。本文按不同生长机制分类概述，主要介绍气相法、液相法、模板法三大类制备方法。 1.1 气相法 在合成一维纳米结构时,气相合成可能是用得最多的方法。气相法中的主要机
纳米材料习题答案
纳米材料习题答案 1、简单论述纳米材料的定义与分类。 答：最初纳米材料是指纳米颗粒和由它们构成的纳米薄膜和固体。 现在广义: 纳米材料是指在三维空间中至少有一维处在纳米尺度范围，或由他们作为基本单元构成的材料。 如果按维数，纳米材料可分为三大类： 零维：指在空间三维尺度均在纳米尺度，如：纳米颗粒，原子团簇等。 一维：指在空间有两处处于纳米尺度，如：纳米丝，纳米棒，纳米管等。 二维：指在三维空间中有一维处在纳米尺度，如：超薄膜，多层膜等。 因为这些单元最具有量子的性质，所以对零维，一维，二维的基本单元，分别又具有量子点，量子线和量子阱之称。 2、什么是原子团簇谈谈它的分类。 3、通过Raman 光谱中任何鉴别单壁和多臂碳纳米管如何计算单壁碳纳米管直径 答：利用微束拉曼光谱仪能有效地观察到单臂纳米管特有的谱线，这是鉴定单臂纳米管非常灵敏的方法。 100-400cm-1范围内出现单臂纳米管的特征峰，单臂纳米管特有的环呼吸振动模式；1609cm-1，这是定向多壁纳米管的拉曼特征峰。 单臂管的直径d与特征拉曼峰的波数成反比，即d = 224/w d：单壁管的直径，nm；w：为特征拉曼峰的波数cm-1
4、论述碳纳米管的生长机理（图）。 答：碳纳米管的生长机理包括V-L-S机理、表面（六元环）生长机理。 （1）V-L-S机理：金属和碳原子形成液滴合金，当碳原子在液滴中达到饱和后开始析出来形成纳米碳管。根据催化剂在反应过程中的位置将其分为顶端生长机理、根部生长机理。 ①顶端生长机理：在碳纳米管顶部，催化剂微粒没有被碳覆盖的的部分，吸附并催化裂解碳氢分子而产生碳原子，碳原子在催化剂表面扩散或穿过催化剂进入碳纳米管与催化剂接触的开口处，实现碳纳米管的生长，在碳纳米管的生长过程中，催化剂始终在碳纳米管的顶端，随着碳纳米管的生长而迁移； ②根部生长机理：碳原子从碳管的底部扩散进入石墨层网络，挤压而形成碳纳米管，底部生长机理最主要的特征是：碳管一末端与催化剂微粒相连，另一端是不含有金属微粒的封闭端； （2）表面（六元环）生长机理：碳原子直接在催化剂的表面生长形成碳管，不形成合金。 ①表面扩散机理：用苯环坐原料来生长碳纳米管，如果苯环进入催化剂内部，会被分解而产生碳氢化合物和氢气同时副产物的检测结果为只有氢气而没有碳氢化化物。说明苯环没有进入催化剂液滴内部，而只是在催化剂表面脱氢生长，也符合“帽式”生长机理。 5、论述气相和溶液法生长纳米线的生长机理。 （1）气相法反应机理包括：V-L-S机理、V-S机理、碳纳米管模板法、金属原位生长。 ①V-L-S机理：反应物在高温下蒸发，在温度降低时与催化剂形成低共熔液滴，小液滴相互聚合形成大液滴，并且共熔体液滴在端部不断吸收粒子和小的液滴，最后由于微粒的过饱和而凝固形成纳米线。 ②V-S机理：首先沉底经过处理，在其表面形成许多纳米尺度的凹坑蚀丘，这些凹坑蚀丘为纳米丝提供了成核位置，并且它的尺寸限定了纳米丝的临界成核直径，从而使生长的丝为纳米级。 ③碳纳米管模板法：采用碳纳米管作为模板，在一定温度和气氛下，与氧化物反应，碳纳米管一方面提供碳源，同时消耗自身；另一方面提供了纳米线生长的场所，同时也限制了生成物的生长方向。 ④金属原位生长： （2）溶液法反应机理包括溶液液相固相、选择性吸附。 ①S-L-S机理：SLS 法和 VLS 法很相似，二者的主要差别在于 SLS 法纳米线成长的 液态团簇来源于溶液相，而 VLS 法则来自蒸气相。
碳纳米管作为一维纳米材料
碳纳米管作为一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，具有许多异常的力学、电学和化学性能……碳纳米管具有典型的层状中空结构特征,构成碳纳米管的层片之间存在一定的夹角碳纳米管的管身是准圆管结构，并且大多数由五边形截面所组成。管身由六边形碳环微结构单元组成, 端帽部分由含五边形的碳环组成的多边形结构，或者称为多边锥形多壁结构。是一种具有特殊结构（径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级、管子两端基本上都封口）的一维量子材料 由于碳纳米管中碳原子采取SP2杂化，相比SP3杂化，SP2杂化中S轨道成分比较大，使碳纳米管具有高模量、高强度。 碳纳米管具有良好的力学性能，CNTs抗拉强度达到50～200GPa,是钢的100倍,密度却只有钢的1/6，至少比常规石墨纤维高一个数量级；它的弹性模量可达1TPa，与金刚石的弹性模量相当，约为钢的5倍。对于具有理想结构的单层壁的碳纳米管，其抗拉强度约800GPa。碳纳米管的结构虽然与高分子材料的结构相似，但其结构却比高分子材料稳定得多。碳纳米管是目前可制备出的具有最高比强度的材料。若将以其他工程材料为基体与碳纳米管制成复合材料, 可使复合材料表现出良好的强度、弹性、抗疲劳性及各向同性，给复合材料的性能带来极大的改善。 碳纳米管上碳原子的P电子形成大范围的离域π键，由于共轭效应显著，碳纳米管具有一些特殊的电学性质。 碳纳米管具有良好的导电性能，由于碳纳米管的结构与石墨的片层结构相同，所以具有很好的电学性能。理论预测其导电性能取决于其管径和管壁的螺旋角。当CNTs的管径大于6nm时，导电性能下降；当管径小于6nm时，CNTs可以被看成具有良好导电性能的一维量子导线。有报道说Huang通过计算认为直径为0.7nm的碳纳米管具有超导性，尽管其超导转变温度只有1.5×10-4K，但是预示着碳纳米管在超导领域的应用前景。 碳纳米管具有良好的传热性能，CNTs具有非常大的长径比，因而其沿着长度方向的热交换性能很高，相对的其垂直方向的热交换性能较低，通过合适的取向，碳纳米管可以合成高各向异性的热传导材料。另外，碳纳米管有着较高的热导率，只要在复合材料中掺杂微量的碳纳米管,该复合材料的热导率将会可能得到很大的改善 ( 氢气被很多人视为未来的清洁能源。但是氢气本身密度低，压缩成液体储存又十分不方便。碳纳米管自身重量轻，具有中空的结构，可以作为储存氢气的优良容器，储存的氢气密度甚至比液态或固态氢气的密度还高。适当加热，氢气就可以慢慢释放出来。研究人员正在试图用碳纳米管制作轻便的可携带式的储氢容器。 在碳纳米管的内部可以填充金属、氧化物等物质，这样碳纳米管可以作为模具，首先用金属等物质灌满碳纳米管，再把碳层腐蚀掉，就可以制备出最细的纳米尺度的导线，或者全新的一维材料，在未来的分子电子学器件或纳米电子学器件中得到应用。有些碳纳米管本身还可以作为纳米尺度的导线。这样利用碳纳米管或者相关技术制备的微型导线可以置于硅芯片上，用来生产更加复杂的电路。 利用碳纳米管的性质可以制作出很多性能优异的复合材料。例如用碳纳米管材料增强的塑料力学性能优良、导电性好、耐腐蚀、屏蔽无线电波。
纳米材料
《功能金属材料》课程作业 一维氧化锌纳米材料应用与发展前景及课程感悟 班级：0610104 学号：061010418 姓名：刘广通
一、一维ZnO 纳米材料性能 ZnO 纳米材料以形态和尺度划分，包括零维ZnO纳米材料（ZnO 纳米颗粒）、一维ZnO 纳米材料（ZnO 纳米线、棒、丝、管和纤维等）、二维ZnO 纳米材料（ZnO 纳米薄膜）等。按成分划分，包括纯ZnO 纳米材料和掺杂ZnO 纳米材料，如In、Ga、Sn、Mn、Co等各种元素掺杂的n型掺杂纳米材料，P、N、Li等元素掺杂的p型掺杂纳米材料及多元素复合掺杂的掺杂ZnO 纳米材料。 一维ZnO 纳米材料在光学、电输运、光电、压电、力电、场发射、稀磁、光催化、吸波等性能上具有显著特点，在传感、光学、电子、场发射、压电、能源、催化等领域已经显示出良好的应用前景。目前，在一维ZnO 纳米材料研究领域，关注的重点包括一维ZnO 纳米材料的可控及高产率设备、结构与性能调控、纳米器件组装、纳米材料及器件的性能测试与评价、纳米效应及耦合效应、理论计算与模拟、安全服役与损伤等方面。[1] 目前来说，我们都希望电子器件能越小型越好，也就是通过不断缩小器件的尺寸来达到提高速度、减少功耗的目的，这种方法在过去几十年一直被运用而随着我们周围的生活电子产品的不断微型化而发展。所以要利用薄膜生长和光刻技术（电子束光刻、X射线光刻等）制备材料和器件。我们希望纳米线作为基本功能单位来组成电子电路。一维纳米材料的原理器件的研制可以完成这一使命。而ZnO 是一种具有压电和光电特性的半导体材料，它是典型的直接带隙宽禁带半导体，同时它的激子结合能高达60meV。因此ZnO 材料在紫外光电器件方面有巨大的应用潜力。ZnO有很高的导电、导热性能，化学性质非常稳定，作为短波长发光器件具有高的稳定性和较低的价格，有极大的应用价值。而在一维纳米材料中， ZnO 有三个主要的优点：首先，它既是半导体又有压电效应，这是做电动机械耦合传感器和变频器的基础;其次，ZnO 的生物安全性与相容性相对高，可以用在医学方面；最后，ZnO 的种类最丰富，如纳米线，纳米带，纳米螺旋结构等。因而有一系列的一维ZnO 纳米材料的新器件被不断地开发研制，如室温激光器、发光二极管、传感器、晶体管、场发射器等。 二、一维ZnO 纳米材料的应用及发展前景 一维ZnO纳米材料被用于光学器件。因为ZnO是一种宽禁带半导体，而且在室温下具有很高的激子束缚能，因此ZnO被认为是一种优异的蓝光到紫外波段发射的发光材料。在325nm的He-Cd激光激发下，ZnO纳米材料的室温发光谱中存在两个发射峰，分别是380nm左右的近带边的自由激子复合引起的紫外发射峰[2]和540nm左右的氧空位引起的绿光发射峰[3]。ZnO纳米材料的发光效率远高于块体材料，这主要是因为ZnO纳米线的单晶形态和小尺寸效应。小尺寸效应的影响是由于纳米材料非常微小，其尺寸与光波波长、传到电子的得布罗意波长及超导态的相干长度、透射深度等具有物理特征的尺寸相当或更小时，它的周期性边界将被破坏，使它原本所具有的声，光，电，磁，热力学等特性呈现出“另类”的现象。ZnO纳米的发光机制有以下几种：1)带间跃迁发光。即适当的光照射时，半导体的价带电子发生带间跃迁，也就是电子从价带跃迁到导带，而产生光生电子和空穴。而对纳米材料，器能带将会展宽，改变其性能。2）激子辐射复合发光。纳米结构ZnO有宽的禁带隙、大的比表面积、
纳米材料的表征方法
纳米材料的表征及其催化效果评价方式纳米材料的表征主要目的是确定纳米材料的一些物理化学特性如形貌、尺寸、粒径、等电点、化学组成、晶型结构、禁带宽度和吸光特性等。 纳米材料催化效果评价方式主要是在光照（紫外、可见光、红外光或者太阳光）条件下纳米材料对一些污染物质（甲基橙、罗丹明B、亚甲基蓝和Cr6+等）的降解或者对一些物质的转化（用于选择性的合成过程）。评价指标为污染物质的去除效率、物质的转化效率以及反应的一级动力学常数k的大小。
1 、结构表征 XRD，ED，FT-IR, Raman，DLS 2 、成份分析 AAS，ICP-AES，XPS，EDS 3 、形貌表征 TEM，SEM，AFM 4 、性质表征-光、电、磁、热、力等 … UV-Vis，PL，Photocurrent
1. TEM TEM为透射电子显微镜，分辨率为～，放大倍数为几万～百万倍，用于观察超微结构，即小于微米、光学显微镜下无法看清的结构。TEM是一种对纳米材料形貌、粒径和尺寸进行表征的常规仪器，一般纳米材料的文献中都会用到。 The morphologies of the samples were studied by a Shimadzu SSX-550 field-emission scanning electron microscopy (SEM) system, and a JEOL JEM-2010 transmission electron microscopy (TEM)[1]. 一般情况下，TEM还会装配High-Resolution TEM（高分辨率透射电子显微镜）、EDX（能量弥散X射线谱）和SAED（选区电子衍射）。High-Resolution TEM用于观察纳米材料的晶面参数，推断出纳米材料的晶型；EDX一般用于分析样品里面含有的元素，以及元素所占的比率；SAED用于实现晶体样品的形貌特征与晶体学性质的原位分析。
物理在纳米材料测试表征中的应用讲解
物理在纳米材料测试表征中的应用 摘要：介绍了纳米材料的特性及一般的测试表征技术，主要从纳米材料的形貌分析，成分分析以及结构分析入手，介绍了扫描电子显微镜，透射电子显微镜，X 射线衍射，X射线荧光光谱分析，能谱分析等分析测试技术的工作原理及其在纳米粒子结构和性能分析上的应用和进展。 关键词：纳米材料；测试技术；表征方法 Abstract：The characterization and testing of nano-materials was described. Depend on the morphology, component and structure of nano-materials, the mechanism and applications of scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), X-ray diffraction (XRD), X-ray fluorescence spectroscopy, energy dispersive x-ray spectroscope (EDS) technology was presented. Further, the application and development of those technologies were described. Keyword: nano-materials; testing technology; characterization 0. 前言 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[ 1 ]。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[ 2 ]。纳米科学和技术是在纳米尺度上（0. 1～100nm）研究物质（包括原子、分子）的特性及其相互作用, 并且对这些特性加以利用的多学科的高科技。纳米科技是未来高技的基础，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[ 3 ]。 1. 纳米材料的形貌分析 1.1 形貌分析的重要性
材料的表征方法总结
2.3.1 X 一射线衍射物相分析 粉末X 射线衍射法，除了用于对固体样品进行物相分析外，还可用来测定晶体 结构的晶胞参数、点阵型式及简单结构的原子坐标。X 射线衍射分析用于物相分析 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Ilh 是物 质的固有特征。而每种物质都有特定的晶胞尺寸和晶体结构，这些又都与衍射强 度和衍射角有着对应关系，因此，可以根据衍射数据来鉴别晶体结构。此外，依 据XRD 衍射图，利用Schercr 公式: θ λθβcos )2(L K = 式中p 为衍射峰的半高宽所对应的弧度值;K 为形态常数，可取0.94或0.89;为X 射线波长，当使用铜靶时，又1.54187 A; L 为粒度大小或一致衍射晶畴大小;e 为 布拉格衍射角。用衍射峰的半高宽FWHM 和位置(2a)可以计算纳米粒子的粒径， 由X 一射线衍射法测定的是粒子的晶粒度。样品的X 一射线衍射物相分析采用日本理 学D/max-rA 型X 射线粉末衍射仪，实验采用CuKa 1靶，石墨单色器，X 射线管电压 20 kV ，电流40 mA ，扫描速度0.01 0 (2θ) /4 s ，大角衍射扫描范围5 0-80 0，小角衍 射扫描范围0 0-5 0o 2.3.2热分析表征 热分析技术应用于固体催化剂方面的研究，主要是利用热分析跟踪氧化物制 备过程中的重量变化、热变化和状态变化。本论文采用的热分析技术是在氧化物 分析中常用的示差扫描热法(Differential Scanning Calorimetry, DSC)和热重法 ( Thermogravimetry, TG )，简称为DSC-TG 法。采用STA-449C 型综合热分析仪(德 国耐驰)进行热分析，N2保护器。升温速率为10 0C.1 min - . 2.3.3扫描隧道显微镜 扫描隧道显微镜有原子量级的高分辨率，其平行和垂直于表面方向的分辨率 分别为0.1 nm 和0.01nm ，即能够分辨出单个原子，因此可直接观察晶体表面的近原 子像;其次是能得到表面的三维图像，可用于测量具有周期性或不具备周期性的 表面结构。通过探针可以操纵和移动单个分子或原子，按照人们的意愿排布分子 和原子，以及实现对表面进行纳米尺度的微加工，同时，在测量样品表面形貌时， 可以得到表面的扫描隧道谱，用以研究表面电子结构。测试样品的制备:将所制 的纳米Fe203粉末分散在乙醇溶液中，超声分散30 min 得红色悬浊液，用滴管吸取 悬浊液滴在微栅膜上，干燥，在离子溅射仪上喷金处理。采用JSM-6700E 场发射扫 描电子显微镜旧本理学)，JSM-6700E 场发射扫描电子显微镜分析样品形貌和粒 径，加速电压为5.0 kV o 2.3.4透射电子显微镜 透射电镜可用于观测微粒的尺寸、形态、粒径大小、分布状况、粒径分布范 围等，并用统计平均方法计算粒径，一般的电镜观察的是产物粒子的颗粒度而不 是晶粒度。高分辨电子显微镜(HRTEM)可直接观察微晶结构，尤其是为界面原 子结构分析提供了有效手段，它可以观察到微小颗粒的固体外观，根据晶体形貌 和相应的衍射花样、高分辨像可以研究晶体的生长方向。测试样品的制备同SEM 样品。本研究采用 JEM-3010E 高分辨透射电子显微镜(日本理学)分析晶体结构， 加速电压为200 kV o 2.3.5 X 射线能量弥散谱仪 每一种元素都有它自己的特征X 射线，根据特征X 射线的波长和强度就能得
纳米材料的表面效应
纳米材料微观结构至少在一维方向上受纳米尺度（1nm--100nm）调制的各种固体超细材料，它包括零维的原子团蔟（几十个原子的聚集体）和纳米微粒；一维调制的纳米多层膜；二维调制的纳米微粒膜（涂层）；以及三维调制的纳米相材料。 纳米固体中的原子排列既不同于长程有序的晶体，也不同于长程无序、长程有序的"气体状"固体结构，是一种介于固体和分子间的亚稳中间态物质。因此，一些研究人员把纳米材料称之为晶态、非晶态之外的"第三态晶体材料"。 正是由于纳米材料这种特殊的结构，使之产生四大效应，即表面效应和界面效应、小尺寸效应、量子效应（含宏观量子隧道效应），从而具有传统材料所不具备的物理、化学性能，表现出独特的光、电、磁和化学特性。 （1）表面与界面效应 这是指纳米晶体粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。例如粒子直径为10纳米时，微粒包含4000个原子，表面原子占40%；粒子直径为1纳米时，微粒包含有30个原子，表面原子占99%。主要原因就在于直径减少，表面原子数量增多。再例如，粒子直径为10纳米和5纳米时，比表面积分别为90米2/克和180米2/克。如此高的比表面积会出现一些极为奇特的现象，如金属纳米粒子在空中会燃烧，无机纳米粒子会吸
附气体等等。 （2）小尺寸效应 当纳米微粒尺寸与光波波长，传导电子的德布罗意波长及超导态的相干长度、透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，它的周期性边界被破坏，非晶态纳米粒子的颗粒表面层附近的原子密度减少，从而使其声、光、电、磁，热力学等性能呈现出新的物理性质的变化称为小尺寸效应。例如，铜颗粒达到纳米尺寸时就变得不能导电；绝缘的二氧化硅颗粒在20纳米时却开始导电。再譬如，高分子材料加纳米材料制成的刀具比金钢石制品还要坚硬。利用这些特性，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能，此外又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等等。 （3）量子尺寸效应 当粒子的尺寸达到纳米量级时，费米能级附近的电子能级由连续态分裂成分立能级。当能级间距大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能或超导态的凝聚能时，会出现纳米材料的量子效应，从而使其磁、光、声、热、电、超导电性能变化。例如，有种金属纳米粒子吸收光线能力非常强，在1.1365千克水里只要放入千分之一这种粒子，水就会变得完全不透明。 （4）宏观量子隧道效应
纳米材料表征
纳米粉末粒度分析方法简介 粉末材料粒度测定是一个很复杂的问题，因为粒度的大小本身就是一个很难明确表示的概念。对一个球形的颗粒，我们可以用其直径来表示其大小，对一个立方体，我们可以用其棱长来表示其大小，对一个圆锥体，我们可以用其底面直径和其高两个尺寸来表示其大小，对长方体，就得用其长、宽、高三个尺寸来表示其大小。对一个任意形状的颗粒就很难表征其大小。一般都采用一个与该颗粒具有某种等效效应的颗粒的直径来表示该不规则颗粒的粒径的大小。 目前可以进行纳米粉末粒度测定的方法大致有四种：透射电镜（结合图象分析仪）法，光子相关谱（PCS）（或称动态光散射），比表面积法以及X射线小角散射法（SAXS）等四种。下面对这四种方法的简单原理及其优缺点进行简单的介绍： 1．透射电镜法： 透射电镜是一种直观、可靠的绝对尺度测定方法，对于纳米颗粒，它可以观察其大小、形状，还可以根据像的衬度来估计颗粒的厚度，显微镜结合图像分析法还可以选择地进行观测和统计，分门别类给出粒度分布。如果将颗粒进行包埋、镶嵌和切片减薄制样，还可以对颗粒内部的微观结构作进一步地分析。 当对于所检测的样品清晰成像后，就是一个测量和统计的问题。一种作法是选取足够多的视场进行照相，获得数百乃至数千个颗粒的电镜照片，再将每张照片经扫描进入图象分析仪进行分析统计。按标准刻度计算颗粒的等效投影面积直径，同时统计落在各个粒度区间的颗粒个数。然后计算出以个数为基准的粒度组成、平均粒度、分布方差等，并可输出相应的直方分布图。在应用软件中还包括个数分布向体积分布转换的功能，往往将这两种分布及相关的直方图和统计平均值等都出来。 该方法的优点是直观，而且可以得到颗粒形状信息，缺点是要求颗粒要处于良好的分散状态，另外，由于用显微镜观测时所需试样量非常少，所以对试样的代表性要求严格。因此取样和制样的方法必须规范；而且要对大量的颗粒的粒径进行统计才能得到粒度分布值或平均粒径。 2．光子相关谱法： 该方法是基于分子热运动效应，悬浮于液体中的微细颗粒都在不停地作布朗运动，其无规律运动的速率与湿度和液体的粘度有关，同时也与颗粒本身的大小有关。对于大的颗粒其移动相对较慢，而小的颗粒则移动较快。这种迁移导致颗粒在液体中的扩散，对分散于粘度为η的球形颗粒，彼此之间无交互作用时，它的扩散系数D同粒径x之间的关系满足一关系。而当一束激光通过稀薄的颗粒悬浮液时，被照射的颗粒将会向四周散射光。在某一角度下所测散射光的强度和位相将取决于颗粒在光束中的位置以及颗粒与探测器之间的距离。由于颗粒在液体中不断地作布朗运动，它们的位置随机变动，因而其散射光强度也随时间波动。颗粒越小，扩散运动越强，散射光强度随即涨落的速率也就越快；反之则相反。光子相关谱（PCS）法这正是从测量分析这种散射光强的涨落函数中获得颗粒的动态信息，求出颗粒的平移扩散系数而得到颗粒得粒度信息的，所以又称为动态光散射法。 光子相关谱法粒度分析的范围约3nm～1000nm。测试速度快，对粒度分布集中且颗粒分散好的样品，测量结果重复性好。该方法缺点是要求样品要处于良好的分散状态，否则测出的是团聚体的粒度大小。 3．比表面积法： 粉末的比表面积为单位体积或单位质量粉末颗粒的总表面积，它包括所有颗粒的外表面积以及与外表面积相联通的孔所提供的内表面积。粉末的比表面积同其粒度、粒度分布、颗粒的形状和表面粗糙度等众多因数有关，它是粉末多分散性的综合反映。测定粉末比表面积的方
第一章 一维无机纳米材料的制备方法
【文献综述】 一维无机纳米材料的制备方法 一．气相法制备 ①汽-液-固（VLS）机理生长 方法一（VLS生长法）： 1．以液态金属团簇催化剂作为反应物。 2. 将要制备的一维纳米材料的材料源加热形成蒸汽。 3. 蒸汽扩散到液态金属团簇催化剂表面，形成过饱和团簇后在催化剂表面饱和析出，从而形成一维纳米结构 备注： 液态金属催化剂液滴的尺寸决定了制备出的纳米线的直径。 方法二（激光烧蚀法+VLS生长法）： 1.用含有少量Fe、Au、Ni等金属催化剂的硅粉作为烧蚀靶 2.以氩气作为保护气 3.在陶瓷管中以一定温度下激光蒸发就可获得纳米线 备注： 激光烧蚀法制备出的纳米线直径小于VLS生长法 催化剂的选定：根据相图选定一种能与纳米线材料形成液态合金的金属催化剂 温度的选定：根据相图选定液态合金和固态纳米线材料共存区及制备温度 在纳米线生长头部有一个催化剂纳米颗粒 应用： VLS生长机理可以应用于制备一维无机纳米材料，例如元素半导体，半导体，氧化物等。但不能制备一维金属纳米材料。同时还应继续探索去除金属催化剂的后处理工序。 ②氧化物辅助生长 方法： 1.用SiO2取代金属催化剂制成硅靶， 2.采用激光烧蚀法，热蒸发，化学气相沉积法大规模制备硅纳米线 备注： 1.氧化物在硅纳米线的成核及生长过程中起主导作用 2.不需要金属催化剂，避免了金属污染，保证了硅纳米线的纯度。 应用： 除了硅以外，还可以制备Ge、C、SiC等Ⅳ族元素及化合物半导体，GaN等Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体及ZnO和ZnS等Ⅱ-Ⅵ族材料，并可制备包括线、棒、共轴线、链和丝带状在内的一维纳米结构。 ③气-固（VS）生长 方法： 1.将一种或几种反应物在反应容器的高温区加热形成蒸汽 2.利用惰性气体的流动输送到低温区或者通过快速降温使蒸汽沉积下，从而制备出各种纳
材料的表征方法总结
材料的表征方法 2.3.1 X 一射线衍射物相分析 粉末X 射线衍射法，除了用于对固体样品进行物相分析外，还可用来测定晶体 结构的晶胞参数、点阵型式及简单结构的原子坐标。X 射线衍射分析用于物相分析 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Ilh 是物 质的固有特征。而每种物质都有特定的晶胞尺寸和晶体结构，这些又都与衍射强 度和衍射角有着对应关系，因此，可以根据衍射数据来鉴别晶体结构。此外，依 据XRD 衍射图，利用Schercr 公式: θ λθβc o s )2(L K = 式中p 为衍射峰的半高宽所对应的弧度值;K 为形态常数，可取0.94或0.89;为X 射线波长，当使用铜靶时，又1.54187 A; L 为粒度大小或一致衍射晶畴大小;e 为 布拉格衍射角。用衍射峰的半高宽FWHM 和位置(2a)可以计算纳米粒子的粒径， 由X 一射线衍射法测定的是粒子的晶粒度。样品的X 一射线衍射物相分析采用日本理 学D/max-rA 型X 射线粉末衍射仪，实验采用CuKa 1靶，石墨单色器，X 射线管电压 20 kV ，电流40 mA ，扫描速度0.01 0 (2θ) /4 s ，大角衍射扫描范围5 0-80 0，小角衍 射扫描范围0 0-5 0o 2.3.2热分析表征 热分析技术应用于固体催化剂方面的研究，主要是利用热分析跟踪氧化物制 备过程中的重量变化、热变化和状态变化。本论文采用的热分析技术是在氧化物 分析中常用的示差扫描热法(Differential Scanning Calorimetry, DSC)和热重法 ( Thermogravimetry, TG )，简称为DSC-TG 法。采用STA-449C 型综合热分析仪(德 国耐驰)进行热分析，N2保护器。升温速率为10 0C.1 min - . 2.3.3扫描隧道显微镜 扫描隧道显微镜有原子量级的高分辨率，其平行和垂直于表面方向的分辨率 分别为0.1 nm 和0.01nm ，即能够分辨出单个原子，因此可直接观察晶体表面的近原 子像;其次是能得到表面的三维图像，可用于测量具有周期性或不具备周期性的 表面结构。通过探针可以操纵和移动单个分子或原子，按照人们的意愿排布分子 和原子，以及实现对表面进行纳米尺度的微加工，同时，在测量样品表面形貌时， 可以得到表面的扫描隧道谱，用以研究表面电子结构。测试样品的制备:将所制 的纳米Fe203粉末分散在乙醇溶液中，超声分散30 min 得红色悬浊液，用滴管吸取 悬浊液滴在微栅膜上，干燥，在离子溅射仪上喷金处理。采用JSM-6700E 场发射扫 描电子显微镜旧本理学)，JSM-6700E 场发射扫描电子显微镜分析样品形貌和粒 径，加速电压为5.0 kV o 2.3.4透射电子显微镜 透射电镜可用于观测微粒的尺寸、形态、粒径大小、分布状况、粒径分布范 围等，并用统计平均方法计算粒径，一般的电镜观察的是产物粒子的颗粒度而不 是晶粒度。高分辨电子显微镜(HRTEM)可直接观察微晶结构，尤其是为界面原 子结构分析提供了有效手段，它可以观察到微小颗粒的固体外观，根据晶体形貌 和相应的衍射花样、高分辨像可以研究晶体的生长方向。测试样品的制备同SEM 样品。本研究采用 JEM-3010E 高分辨透射电子显微镜(日本理学)分析晶体结构， 加速电压为200 kV o
纳米材料的表征与测试技术
纳米材料的表征与测试技术 作者：马翔（08级理学院材料化学系学生081132班） 摘要 虽然许多研究人员已经涉足纳米技术这个领域的工作，但还有很多研究人员以及相关产业的从业人员刘一纳米材料还不是很熟悉，尤其是如何分析和表征纳米材料，如何获得纳米材料的一此特征信息。该文对纳米材料的一此常用分析和表征技术做了概括。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而进行了简要阐述。 关键词：纳米材料;表征;测试技术 1纳米材料的表征方法 纳米材料的表征主要包括: 1化学成分; 2纳米粒子的粒径、形貌、分散状况以及物相和晶体结构; 3纳米粒子的表面分析。 1. 1化学成分表征 化学成分是决定纳米粒子及其制品性能的最基本因素。常用的仪器分析法主要是利用各种化学成分的特征谱线，如采用X射线荧光分析和电子探针微区分析法可对纳米材料的整体及微区的化学组成进行测定。而且还可以与扫描电子显微镜SEM配合，使之既能利用探测从样品上发出的特征X 射线来进行元素分析，又可以利用二次电子、背散射电子、吸收电子信号等观察样品的形貌图像。即可以根据扫描图像边观察边分析成分，把样品的形貌和所对应微区的成分有机的联系起来，进一步揭示图像的本质。此外，还可以采用原子l发射光谱AES、原子吸收光谱AAS对纳米材料的化学成分进行定性、定量分析;采用X射线光电子能谱法XPS可分析纳米材料的表一面化学组成、原子价态、表面形貌、表面微细结构状态及表面能态分布等。 1.2纳米徽粒的衰面分析 (1)扫描探针显徽技术SPM 扫描探针显徽技术SPM以扫描隧道电子显微镜STM ,原子力显徽镜AFM、扫描力显微镜SFM 、弹道电子发射显徽镜BEEM、扫描近场光学显微镜SNOM等新型系列扫描探针显徽镜为主要实验技术，利用探针与样品的不同相互作用，在纳米级乃至原子级的水平 上研究物质表面的原子和分子的几何结构及与电子行为有关的物理、化学性质，在纳米尺度上研究物质的特性。 (2)谱分析法
第8章电化学方法在制备纳米材料中的应用
第八章电化学方法在制备纳米材料中的应用 人们对于分离超微粒子的研究开始于20世纪60年代。1963年Uyeda等人采用气体冷凝法制备了金属超微粒子，并对超微粒子的形貌和晶体结构进行了电镜和电子衍射研究；20世纪70年代末德克雷斯勒成立了NST (Nano-scale Science and Technology)研究组；1984年在柏林召开的第二届国际超微粒子和等离子体会议，使超微粒子的研究成为世界性热点之一；1989年德国著名科学家Gleiter等首次提出了纳米材料这一概念；1990年7月在美国巴尔的摩召开的第一届国际NST会议标志着这一全新科技—纳米科技的正式诞生;1992年的TMS (Minerals, Metals, Materials)年会上有5个分会场专门讨论纳米粒子的制备、结构和性质，由此可见其重要性。美国材料科学学会预言，纳米材料将是21世纪最有前途的新兴材料之一，是21世纪高新科技的重要组成部分，被科学家们誉为“21世纪最有前途的材料”闭。它的出现将和金属、半导体、荧光材料的出现一样，引起科技领域的重大变革。 纳米粒子是指特征维度尺寸介于1~100 nm范围内的微小粒子，又称作超微粒子。处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，是一种典型的介观系统；它的大小介于宏观物质与微观粒子如电子、原子、分子之间，属于亚微观的范畴。由纳米粒子形成的晶体称为纳米晶体，它既不像一般晶体那样具有长程有序，也不像非晶体那样具有短程有序结构，它是一种具有全新“气体状”(gas-like)固体结构的新型材料，粒子内部存在有序一无序结构（order disorder）。从传统热力学观点来看，这是一种亚稳态结构。 纳米材料由两种组元构成：晶体组元和界面组元。晶体组元由晶粒中的原子组成，这些原子都严格位于晶格位置上；界面组元由各晶粒之间的界面原子组成，这些原子由超微晶粒的表面原子转化而来。由于纳米粒子的粒径很小，使得粒子中的原子有很大部分处于粒子表面，表现在固体纳米材料中，有相当大比例的原子处于晶体界面上，即界面组元的比例很高，一般纳米晶粒内部的有序原子与纳米晶粒的界面无序原子各占总原子数的50％左右。晶界对纳米材料的结构及物性具有重要作用，由于这些大量处于晶界或晶粒缺陷中心的原子，使纳米粒子产生小尺寸效应、量子效应、宏观量子隧道效应、表面和界面效应等，引起了纳米材料在许多物理、化学、力学性能上与同组成的微米粒子材料有非常显著的差异，它不仅开拓了人们认识世界的视野，也改变了某些传统观念。例如，纳米陶瓷的出现使得陶瓷在表现刚性的同时也具有了很好的塑性；传统意义上的典型导体（如Ag）纳米化后可以变成绝缘体；同样，部分绝缘体纳米化后也可以变为导体。因此，对超微粒子及其由此压制而成的纳米固体材料结构及性能的研究引起了世人的广泛关注，对纳米粒子的研究也变得十分活跃。 中国古代早就制备出了这种材料，例如古铜镜表面的防锈层即由纳米氧化锡组成，灯灰就是纳米炭黑，只是由于表征手段的原因，当时未能给出纳米材料这一确切的名称。由此可见纳米材料是一个古老而又崭新的研究领域。 而电化学方法制备纳米材料的研究，经历了早期的纳米薄膜、纳米微晶的制备，直至现在的电化学制备纳米金属线、金属氧化物等过程，已有几十年的研究时间。早在1939年，Brenner就在其博士论文中论述了使用两个含不同成分的电解池，交替在两池之间进行电沉积制备纳米叠层膜的研究。但当时所使用的这种方法太烦琐，易造成镀件表面污染，影响沉积层质量。随后在1949年又对其工艺进行了改进，直至1963年，运用电沉积技术制备叠层膜的方法不断改进，Brenner提出了单一电解液中沉积Co-Bi多层膜的设想，由原来的多槽电沉积转变成今天的单槽电沉积，这便是当今电沉积制备纳米金属多层膜的开端。此后的一段时间里，此研究发展较慢。直到20世纪80年代，电沉积叠层膜开始有了