8. 納米材料測(cè)量及進(jìn)展

1、6.4 X射線小角散射法射線小角散射法 n小角散射是指X射線衍射中倒易點(diǎn)陣原點(diǎn)(000)結(jié)點(diǎn)附近的相干散射現(xiàn)象。n散射角大約為10-2-10-1rad數(shù)量級(jí)衍射光的強(qiáng)度，在入射光方向最大，隨衍射角增大而減少，在角度0處則變?yōu)?，與波長(zhǎng)和粒子的平均直徑d之間近似滿足下列關(guān)系式：n=/d6.4 X射線小角散射法n散射強(qiáng)度I與顆粒的重心轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的回轉(zhuǎn)半徑R的關(guān)系為n式中a為常數(shù)，R與粒子的質(zhì)量M及它相對(duì)于重心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I0的關(guān)系滿足下式：nI0=MR2n如果得到lnI-2直線，由直線斜率得到Rn如果顆粒為球形，則n式中r為球半徑，由上面兩式可求得顆粒的半徑R或r。 222234lnRaI49. 0/

2、75. 022RrrR77. 05/36.5拉曼散射拉曼散射n拉曼散射(Raman scattering)：當(dāng)光子與物質(zhì)分子碰撞時(shí)，可產(chǎn)生彈性碰撞和非彈性碰撞，在彈性碰撞過程中，沒有能量交換，光子僅改變運(yùn)動(dòng)方向，這種基于彈性碰撞作用產(chǎn)生的散射現(xiàn)象稱為瑞利散射，相反，在非彈性碰撞過程中，光子不僅改變運(yùn)動(dòng)方向，而且有能量交換，基于非彈性碰撞作用所產(chǎn)生的散射現(xiàn)象就是拉曼散射(帶有顆粒本身的信息）。6.5拉曼散射法拉曼散射法 n拉曼(Raman)散射法可測(cè)量納米晶晶粒的平均粒徑，粒徑由下式計(jì)算：n式中B為一常數(shù)，為納米晶拉曼譜中某一晶峰的峰位相對(duì)于同樣材料的常規(guī)晶粒的對(duì)應(yīng)晶峰峰位的偏移量 2/12Bd

3、6.6 激光衍射(diffraction)法法n光在傳播過程中遇到障礙物時(shí)發(fā)生的展衍現(xiàn)象稱為衍射。利用激光衍射現(xiàn)象進(jìn)行粒徑分布測(cè)定的方法稱為激光衍射法。n在障礙物背后傳播的波面互相干涉，形成了一個(gè)能量密度分布的衍射環(huán)(夫瑯禾費(fèi)(Fraunhofer)衍射)。在夫瑯禾費(fèi)衍射中，衍射光的強(qiáng)度分布同粒子的化學(xué)成分、折射率等物性無關(guān)，而同粒子的大小、形狀等幾何因素有密切的關(guān)系。利用這一衍射環(huán)可以測(cè)定出粒子群的粒徑分布。 6.6 激光散射(scaterring)法法n米氏散射(Mie scattering)：用電磁波光照射物質(zhì)，物質(zhì)內(nèi)的電子被激發(fā)后向外放出新的電磁波。n在激光散射法中，用光電管收集超微粒

4、子的散射光，并將此光轉(zhuǎn)換成脈動(dòng)電壓后輸出。利用這一脈動(dòng)電壓，可求出粒子的粒徑及粒徑分布。具體是通過測(cè)量光子相關(guān)譜法進(jìn)行的. 6.6 激光散射法法n通過測(cè)量微粒在液體中的擴(kuò)散系數(shù)來測(cè)定顆粒度.n由此方程可知，只要知道溶劑(分散介質(zhì))的黏度，分散系的溫度T,測(cè)出微粒在分散系中的擴(kuò)散系數(shù)D就可求出顆粒粒徑d. dTkdNRTDB33106.6光子相關(guān)譜n基本過程：激光作布朗運(yùn)動(dòng)的粒子散射光疊加成干涉圖形和具有一定的散射強(qiáng)度。n布朗運(yùn)動(dòng)引起的這種強(qiáng)度變化出現(xiàn)在微秒至毫秒級(jí)的時(shí)間間隔中，粒子越大粒子位置變化越慢，強(qiáng)度變化(漲落-fluctuation)也越慢n光子相關(guān)譜的基礎(chǔ)就是測(cè)量這些散射光漲落，根據(jù)

5、在一定時(shí)間間隔中這種漲落可以測(cè)定粒子尺寸.6.6 光子相關(guān)譜光子相關(guān)譜n自相關(guān)函數(shù)the autocorrelation function (ACF) n自相關(guān)函數(shù)可定義為nG()=I(t)I(t+) n這里G()為自相關(guān)函數(shù)，I(t)為在時(shí)間為t時(shí)探測(cè)到的散射光強(qiáng)度, I(t+)為在時(shí)間為t+ 時(shí)探測(cè)到的散射光強(qiáng)度，為延遲時(shí)間, 表示括號(hào)內(nèi)的量對(duì)時(shí)間平均6.6 光子相關(guān)譜光子相關(guān)譜n如果在溶液中的粒子尺寸和形狀相同(單粒度)，則散射光強(qiáng)度的自動(dòng)相關(guān)函數(shù)變成了一個(gè)簡(jiǎn)單的指數(shù)衰減函數(shù)nG()Dexp-2n為衰減常數(shù),它與粒徑成反比關(guān)系. =K2, D為擴(kuò)散系數(shù)，K可表示為nn為溶劑折射率，為真空

6、中激光波長(zhǎng)，為測(cè)量散射強(qiáng)度的角度。n對(duì)于多種粒徑的粒子的混合液，自相關(guān)函數(shù)為對(duì)應(yīng)各個(gè)尺寸粒子的自相關(guān)函數(shù)的和。2sin4nK光子相關(guān)譜儀 光子相關(guān)譜的優(yōu)點(diǎn)n光子相關(guān)譜法的優(yōu)點(diǎn)是可獲得精確的粒徑分布。這種方法特別適用于工業(yè)化生產(chǎn)產(chǎn)品粒徑的檢測(cè)。n采用該法測(cè)定粒徑時(shí)，前提條件是首先要獲得分散度好的懸浮液，否則會(huì)給出錯(cuò)誤的結(jié)果-可能是團(tuán)聚體的顆粒尺寸。 6.7 沉降(sedimentation)法n沉降法是一種常用的測(cè)定超微粉粒徑的方法，此方法對(duì)于粒徑處于納米量級(jí)的情況不適用。該技術(shù)以顆粒在各種流體中的沉降速度不同的現(xiàn)象為基礎(chǔ)，即以斯托克斯(Stokes)定律為依據(jù)，所得粒徑稱為斯托克斯直徑。 n式

7、中，dst為斯托克斯直徑；為流體粘度，Ust顆粒沉降末速；s為顆粒密度；f為流體密度；g為重力加速度。 2118gUdfsstst6.7.1重力沉降法n粒子群僅僅在重力作用下在一組形狀相同的容器中沉降。把顆粒在固定的標(biāo)高或變化的標(biāo)高上的濃度作為時(shí)間的函數(shù)，結(jié)合斯托克斯定律計(jì)算系統(tǒng)的粒徑分布.用水作介質(zhì)進(jìn)行分析，典型的粒度范圍約為1100 m。n顆粒濃度變化的測(cè)量有兩種方法，一種為增量法, 另一種為累積法。n增量法是測(cè)定密度或濃度隨時(shí)間或高度變化的速率; n累計(jì)法是測(cè)量沉積在懸浮表面下某特定的距離上顆粒的總量和時(shí)間。 6.7.1重力沉降法-增量法n從沉降介質(zhì)表面算起沿沉降方向的某個(gè)距離h定義為沉

8、降深度(見右圖)，凡是測(cè)量懸浮體在h處的某個(gè)量隨時(shí)間t的變化都稱為增量法，時(shí)間t由沉降開始算起. 安德森法 n移液管由一個(gè)容積500 ml帶刻度的圓柱形細(xì)頸瓶1和一個(gè)用雙通旋塞4連接在10 ml容器3上的吸管2所組成。 n安德森法簡(jiǎn)單，設(shè)備成本低，但不能分出單粒級(jí)試樣，而且每次抽取試樣會(huì)使懸浮液紊動(dòng)；再者，每次抽取試樣后懸浮液體積減小，沉降高度改變。消光法 n光柱的強(qiáng)弱與光柱中顆粒的投影面積有關(guān)，即光透過粒子的懸浮液后強(qiáng)弱情況可用透明度來表示，透明度與光柱中顆粒的投影面積的關(guān)系，在粒徑有個(gè)分布的情況下滿足羅斯（Rose）公式：n式中，為光柱中顆粒的投影面積；k為常數(shù)，C為光柱中的顆粒濃度；ni

9、為單位質(zhì)量粉體中含Xi粒徑的粒子數(shù)；Xi為試料中的最大粒徑, KRi為羅斯吸收系數(shù)，是與粒徑、分散介質(zhì)的折射宰、光的入射角有關(guān)的函數(shù)。通過光透明度的測(cè)定，可求得光柱中顆粒的投影面積，由此結(jié)果可測(cè)定顆粒大小的分布。 iiiiRiiXnKkCII120log消光法優(yōu)點(diǎn)n此法的優(yōu)點(diǎn)是能正確測(cè)出光線的衰減；懸浮液不受插入探測(cè)器或其他測(cè)量?jī)x器的干擾；所需的粉末試樣量很少；試驗(yàn)所需時(shí)間較短；懸浮液濃度較低，減少了顆粒之間的相互影響.X射線吸收法 n在X射線沉積儀中，X射線的密度在光束I=I0exp(-BC)中正比于粉末的質(zhì)量，而X射線的密度P的定義是：p=log(I/I0), 式中B為常數(shù)，C為光束中粉末

10、的濃度，I為透射光強(qiáng), I0為入射光強(qiáng)。nX射線通過一對(duì)沉降槽,其中之一盛懸浮液，而另一個(gè)盛同樣高度的清液作為基準(zhǔn)，兩者光強(qiáng)之差使差動(dòng)電離室中產(chǎn)生電流不平衡，此電流經(jīng)放大后顯示于記錄紙上光強(qiáng)差直接與光束中粉末濃度成比例，利用這個(gè)比值(濃度變化)和斯托克斯定律可得到其粒徑分布。6.7.1重力沉降法-累積法n測(cè)量懸浮液中在一定深度以上顆?？偭康淖兓?，或者測(cè)量穿過該深度平面(對(duì)重力沉降)或圓柱面(對(duì)離心沉降)的顆?？偭康淖兓美鄯e法。n淘析法簡(jiǎn)單，但較費(fèi)時(shí)。6.7.2離心沉降法n對(duì)于細(xì)顆粒，為了加快其定向運(yùn)動(dòng)的速度，從而避免布朗運(yùn)動(dòng)的干擾以及縮短測(cè)定時(shí)間，常采用大得多的離心力代替重力。此時(shí)，顆粒在離

11、心力場(chǎng)中沿旋轉(zhuǎn)方向運(yùn)動(dòng)，介質(zhì)為液體。此 法 適 用 的 粒 度 范 圍 約 為0.0110 m。在層流區(qū)，離心力作用下的斯托克斯公式為：n式中，為用弧度表示的角速度；r為顆粒所在位置的離心半徑(即顆粒到轉(zhuǎn)軸的距離)；Uc為離心沉降速度；2r為離心加速度。212rUdfscst第七章第七章 納米測(cè)量學(xué)納米測(cè)量學(xué) n納米科技(Nano Science and Technology- NANOST) n納米測(cè)量學(xué)在納米科技（納米物理、化學(xué)、生物學(xué)、材料學(xué)、電子學(xué)、加工學(xué)、等）中起著舉足輕重的作用，它的內(nèi)容包括納米尺度的評(píng)價(jià)、成分、微結(jié)構(gòu)和物性的納米尺度的測(cè)量。7.1 納米測(cè)量學(xué)的現(xiàn)狀和進(jìn)展納米測(cè)量學(xué)

12、的現(xiàn)狀和進(jìn)展 n發(fā)展納米測(cè)量科學(xué)有兩個(gè)重要途徑：n一是創(chuàng)造新的納米測(cè)量技術(shù)，建立新原理、新方法；n二是對(duì)常規(guī)技術(shù)進(jìn)行改造，使它們能適應(yīng)納米測(cè)量的需要 各種微束分析手段適用的范圍 7.2 納米測(cè)量技術(shù)的展望納米測(cè)量技術(shù)的展望 n7.2.1 超薄層面及橫向納米結(jié)構(gòu)的分析超薄層面及橫向納米結(jié)構(gòu)的分析n超薄薄膜在未來的納米器件中占有重要的地位，對(duì)橫向納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量化分析在納米技術(shù)領(lǐng)域占有突出的地位n在納米技術(shù)中有一種新的分析技術(shù)，它是以掃描隧道電子顯微鏡(STM)為基礎(chǔ)衍生出來的新技術(shù)，它不但可作為“納米工具”用于層面的專門修整，也可以作為納米分析工藝，因此它同時(shí)可以確定原子和亞微米尺寸范圍的層面結(jié)

13、構(gòu)的幾何排列和電子排列形式7.2.2 電子與光子束分析技術(shù)電子與光子束分析技術(shù) n(1)俄歇電子能譜分析法(Auger Electron Spectroscopy-AES)n(2) X射線光電子能譜分析法(X-ray Photoelectron Spectroscopy-XPS)n能量擴(kuò)展X射線分析法(Energy Extended X-ray EDX) 7.2.3質(zhì)譜分析技術(shù)質(zhì)譜分析技術(shù) n二次離子質(zhì)譜分析法(Second Ion Mass Spectroscopy-SIMS) n二次中子質(zhì)譜分析法(Second Neutron Mass Spectroscopy SNMS) n激光剝離顯微質(zhì)譜分析法(Laser Abolition Microscopic Mass Analysis-LAMMA) 7.2.4 顯微分析技術(shù)顯微分析技術(shù) n(1)電子顯微技術(shù) n(2)低能電子與離子投影顯微技術(shù) n(3)電子全息攝影術(shù) n(4)X射線顯微技術(shù) 7.2.5掃描探針技術(shù)掃描探針技術(shù) n (1)隧道掃描顯微技術(shù)（Scanning Tunnel Microscopy-STM） n (2)原子力顯微技術(shù)(Atom Force Microscopy-AFM) n (3)光學(xué)近場(chǎng)掃描顯微技術(shù) n (4)其他掃描探針工藝 7.2.6 納米表面的測(cè)量技術(shù)納米表面的測(cè)量技