材料的表征方法總結(jié)

1、材料的表征方法 X一射線衍射物相分析 粉末X射線衍射法，除了用于對固體樣品進行物相分析外，還可用來測定晶體結(jié)構(gòu)的晶胞參數(shù)、點陣型式及簡單結(jié)構(gòu)的原子坐標。X射線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確定的晶面間距d以及它們的相對強度Ilh是物質(zhì)的固有特征。而每種物質(zhì)都有特定的晶胞尺寸和晶體結(jié)構(gòu)，這些又都與衍射強度和衍射角有著對應關(guān)系，因此，可以根據(jù)衍射數(shù)據(jù)來鑒別晶體結(jié)構(gòu)。此外，依據(jù)XRD衍射圖，利用Schercr公式:式中p為衍射峰的半高寬所對應的弧度值;K為形態(tài)常數(shù)，可取0.94或0.89;為X射線波長，當使用銅靶時，又1.54187 A; L為粒度大小或一致衍射晶疇大小;e為布

2、拉格衍射角。用衍射峰的半高寬FWHM和位置(2a)可以計算納米粒子的粒徑， 由X一射線衍射法測定的是粒子的晶粒度。樣品的X一射線衍射物相分析采用日本理學D/max-rA型X射線粉末衍射儀，實驗采用CuKa 1靶，石墨單色器，X射線管電壓20 kV，電流40 mA，掃描速度0.01 0 (2) /4 s，大角衍射掃描范圍5 0-80 0，小角衍射掃描范圍0 0-5 0o熱分析表征 熱分析技術(shù)應用于固體催化劑方面的研究，主要是利用熱分析跟蹤氧化物制備過程中的重量變化、熱變化和狀態(tài)變化。本論文采用的熱分析技術(shù)是在氧化物分析中常用的示差掃描熱法(Differential Scanning Calori

3、metry, DSC)和熱重法 ( Thermogravimetry, TG )，簡稱為DSC-TG法。采用STA-449C型綜合熱分析儀(德國耐馳)進行熱分析，N2保護器。升溫速率為10 0C. .掃描隧道顯微鏡 掃描隧道顯微鏡有原子量級的高分辨率，其平行和垂直于表面方向的分辨率分別為0.1 nm和0.01nm，即能夠分辨出單個原子，因此可直接觀察晶體表面的近原子像;其次是能得到表面的三維圖像，可用于測量具有周期性或不具備周期性的表面結(jié)構(gòu)。通過探針可以操縱和移動單個分子或原子，按照人們的意愿排布分子和原子，以及實現(xiàn)對表面進行納米尺度的微加工，同時，在測量樣品表面形貌時，可以得到表面的掃描隧道

4、譜，用以研究表面電子結(jié)構(gòu)。測試樣品的制備:將所制的納米Fe2O3粉末分散在乙醇溶液中，超聲分散30 min得紅色懸濁液，用滴管吸取懸濁液滴在微柵膜上，干燥，在離子濺射儀上噴金處理。采用JSM-6700E場發(fā)射掃描電子顯微鏡舊本理學)，JSM-6700E場發(fā)射掃描電子顯微鏡分析樣品形貌和粒徑，加速電壓為5.0 kV o透射電子顯微鏡 透射電鏡可用于觀測微粒的尺寸、形態(tài)、粒徑大小、分布狀況、粒徑分布范圍等，并用統(tǒng)計平均方法計算粒徑，一般的電鏡觀察的是產(chǎn)物粒子的顆粒度而不是晶粒度。高分辨電子顯微鏡(HRTEM)可直接觀察微晶結(jié)構(gòu)，尤其是為界面原子結(jié)構(gòu)分析提供了有效手段，它可以觀察到微小顆粒的固體外觀

5、，根據(jù)晶體形貌和相應的衍射花樣、高分辨像可以研究晶體的生長方向。測試樣品的制備同SEM樣品。本研究采用 JEM-3010E高分辨透射電子顯微鏡(日本理學)分析晶體結(jié)構(gòu)，加速電壓為200 kV o X射線能量彌散譜儀 每一種元素都有它自己的特征X射線，根據(jù)特征X射線的波長和強度就能得出定性和定量的分析結(jié)果，這是用X射線做成分分析的理論依據(jù)。EDS分析的元素范圍Be4-U9a，一般的測量限度是0.01%，最小的分析區(qū)域在550A，分析時間幾分鐘即可。X射線能譜儀是一種微區(qū)微量分析儀。用譜儀做微區(qū)成分分析的最小區(qū)域不僅與電子束直徑有關(guān)，還與特征X射線激發(fā)范圍有關(guān)，通常此區(qū)域范圍為約1. X射線譜儀的

6、分析方法包括點分析、線分析和面分析。在TEM和SEM里，通常結(jié)合使用特征X射線譜來分析材料微區(qū)的化學成分。傅里葉一紅外光譜儀 傅里葉一紅外光譜儀可檢驗金屬離子與非金屬離子成鍵、金屬離子的配位等化學環(huán)境情況及變化。測試樣品的制備:將合成的納米Fe203粉末充分干燥，研細后與KBr以體積比為1:500混合，于200 MPa下壓制成10*0.3 m的透明薄片。在測定樣品譜圖之前，先測定空白KBr片的紅外吸收光譜。室溫下，將制備好的固體樣品置于紅外樣品池中的適當位置，使其透射率達到最佳，用真空機組將系統(tǒng)抽至10-4 Pa的高空，然后掃描，掃面范圍為4000 cm一 400 cm 1 a FT-IR表征

7、是在Spectrum One B紅外光譜儀(美國Perkin Elmer公司)上進行的。拉曼光譜 拉曼光譜是一種研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的重要方法，特別是對于研究低維納米材料，它已經(jīng)成為首選方法之一。拉曼光譜是分子的非彈性光散射現(xiàn)象所產(chǎn)生，非彈性光散射現(xiàn)象是指光子與物質(zhì)分析發(fā)生相互碰撞后，在光子運動方向發(fā)生改變的同時還發(fā)生能量的交換(非彈性碰撞)。拉曼光譜產(chǎn)生的條件是某一簡諧振動對應于分子的感生極化率變化不為零時，拉曼頻移與物質(zhì)分子的轉(zhuǎn)動和振動能級有關(guān)，不同物質(zhì)有不同的振動和轉(zhuǎn)動能級，同時產(chǎn)生不同拉曼頻移拉曼光譜具有靈敏度高、不破壞樣品、方便快速等優(yōu)點。利用拉曼光譜可以對材料進行分子結(jié)構(gòu)分析、理化特性分析

8、和定性鑒定等，可揭示材料中的空位、間隙原子、位錯、晶界和相界等方面信息。本研究采用Labram-O 10激光拉曼光譜儀(法國，Jobin Yvon )利用632.8 nm He-Ne激光激發(fā)，50倍的目標間距(8 nm )，夾縫和針孔的大小分別為100 m和1000 ,m o N:吸附脫附等溫線分析和孔徑分析 N2吸附平衡等溫線是以恒溫條件下吸附質(zhì)在吸附劑上的吸附量為縱坐標，以壓力為橫坐標的曲線。通常用相對壓力P/P。表示壓力;P為氣體的真實壓力;尸。為氣體在測量溫度下的飽和蒸汽壓。吸附平衡等溫線分為吸附和脫附兩部分。平衡等溫線的形狀與材料的孔組織結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系。我們慣用的是IUPAC的吸

9、附等溫線6種分類，類型I表示在微孔吸附劑上的吸附情況;類型II表示在大孔吸附劑上的吸附情況，此處吸附質(zhì)與吸附劑間存在較強的相互作用;類型III表示為在大孔吸附劑上的吸附情況，但此處吸附質(zhì)分子與吸附劑表面存在較弱的相互作用，吸附質(zhì)分子之間相互作用對吸附等溫線有較大影響;類型IV是有毛細凝結(jié)的單層吸附情況;類型V是有毛細凝結(jié)的多層吸附情況;類型VI是表面均勻非多孔吸附劑上的多層吸附情況。毛細凝結(jié)現(xiàn)象，又稱吸附的滯留回環(huán)，亦稱作吸附的滯后現(xiàn)象。吸附等溫曲線與脫附等溫曲線的互不重合構(gòu)成了滯留回環(huán)。這種現(xiàn)象多發(fā)生在介孔結(jié)構(gòu)的吸附劑當中。IUPAC將吸附等溫線滯留回環(huán)的現(xiàn)象分為4種情況。第一種H1情況，滯

10、留回環(huán)比較窄，吸附與脫附曲線幾乎是豎直方向且近乎平行。這種情況多出現(xiàn)在通過成團或壓縮方式形成的多孔材料中，這種材料有著較窄的孔徑分布;第二種H2情況，滯留回環(huán)比較寬大，脫附曲線遠比吸附曲線陡。這種情況多出現(xiàn)在具有較多樣的孔型和較寬的孔徑分布的多孔材料當中;第三種H3情況，滯留回環(huán)的吸附分支曲線在較高相對壓力作用下也不表現(xiàn)極限吸附量，吸附量隨著壓力的增加而單調(diào)遞增，這種情況多出現(xiàn)在具有狹長裂口型孔狀結(jié)構(gòu)的片狀材料當中;第四種H4情況，滯留回環(huán)也比較狹窄，吸附脫附曲線也近乎平行，但與H1不同的是兩分支曲線幾乎是水平的。 圖2.1吸附等溫曲線分類(IUPAC ) 本研究采用的N:吸附一脫附比表面積和

11、孔容分析儀(Beckman CoulterSA3100 ) : N:吸附一脫附等溫線在一196 0C下，利用L匕表面積和孔容分析儀(BeckmanCoulter SA3100)進行測試。 X射線光電子能譜 X射線光電子能譜(XPS )就是用X射線照射樣品表面，使其原子或分子的電子受激而發(fā)射出來，測量這些光電子的能量分布，從而獲得所需的信息。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，XPS也在不斷完善，目前，已開發(fā)出的小面積X射線光電子能譜，大大提高了XPS的空間分辨能力。通過對樣品進行全掃描，在一次測定中即可檢測出全部或大部分元素。因此，XPS已發(fā)展成為具有表面元素分析、化學態(tài)和能帶結(jié)構(gòu)分析以及微區(qū)化學態(tài)成像分析

12、等功能強大的表面分析儀器。X射線光電子能譜的理論依據(jù)就是愛因斯坦的光電子發(fā)散公式。根據(jù)Einstein的能量關(guān)系式有: by=Eb+Ek式中，入射光子能量by是已知的，借助光電子能譜儀可以測出光電過程中被入射光子所激發(fā)出的光電子能量Ek，從而可求出內(nèi)層電子的軌道結(jié)合能Eb。由于各種原子都有一定結(jié)構(gòu)，所以知道Eb值后，即能夠?qū)悠愤M行元素分析鑒定。XPS作為研究材料表面和界面電子及原子結(jié)構(gòu)的最重要手段之一，原則上可以測定元素周期表上除氫、氦以外的所有元素。其主要功能及應用有三方面:第一，可提供物質(zhì)表面幾個原子層的元素定性、定量信息和化學狀態(tài)信息;第二，可對非均相覆蓋層進行深度分布分析，了解元素隨

13、深度分布的情況;第三，可對元素及其化學態(tài)進行成像，給出不同化學態(tài)的不同元素在表面的分布圖像等。本文采用的是PHISSOOESCA能譜儀，主要的實驗參數(shù)為:Mg Ka 200 W，真空度1.0X10-Paa納米氧化鐵的形貌控制合成及性能納米氧化鐵的制備及磁性能研究包躍宇2009年6月11日大連交通大學納米材料簡介 納米是一種長度單位，一納米等十十億分之一米，大約是二四個原子的寬度。納米材料又稱為超微顆粒材料，由納米粒子組成，一般是指尺寸在1100納米之間的粒子，是處在原子簇和宏觀物體的過渡區(qū)域，從通常的關(guān)十微觀和宏觀的觀點看，這樣的系統(tǒng)既非典型的微觀系統(tǒng)亦非典型的宏觀系統(tǒng)，是一種典型的介觀系統(tǒng)。

14、 納米材料具有二個共同的結(jié)構(gòu)特點【:C1)納米尺度的結(jié)構(gòu)單?；蛱卣骶S度尺寸在納米數(shù)量級(1100 nm; C2)存在大量的界面或自由界面或自由表面;C3)各納米單兀之間存在著或強或弱的互相作用。納米材料這些結(jié)構(gòu)特點導致了它具有如下四個方面的效應并由此派生出傳統(tǒng)固體所不具有的許多特殊性。 1)體積效應f2-l:由十納米粒子體積極小，所包含的原子數(shù)很少，相應的質(zhì)量極小。因此，許多現(xiàn)象就不能用通常有無限個原子的塊狀物質(zhì)加以說明了，這種特殊的現(xiàn)象通常稱為體積效應。它表現(xiàn)為:當納米粒子的尺寸與傳導電子的德布羅意波長相當或更小時周期性及熔點等都會較普通粒子發(fā)生了很大的變化。 (2)表面效應卜7:表面效應是

15、指納米粒子表面原子與總原子數(shù)之比隨粒徑的變小IfIJ急劇增大所引起的性質(zhì)的變化。表1.1給出了納米粒子尺寸與表面原子數(shù)的關(guān)系 表1.1說明隨著粒徑減小，表面原子數(shù)迅速增加，另外，隨著粒徑的減小，納米粒子的表面積，表面能及表面活性能迅速增大。這主要是由十粒徑越小，表面的原子數(shù)越多，表面原子的晶場環(huán)境和結(jié)合能與內(nèi)部原子不同，表面原子周圍缺少相鄰的原子，有許多懸空鍵，具有不飽和性質(zhì)，易與其它原子相結(jié)合Ifu穩(wěn)定化，故具有很大的化學活性，晶體微粒化伴有這種表面原子的增多，其表面能增加。 C3)量子尺寸效應fsl.粒子尺寸下降到接近或小十某一定值時(激子波爾半徑)，費米能級附近的電子能級由連續(xù)能級變?yōu)榉?/p>

16、立能級的現(xiàn)象稱為量子尺寸效應。半導體納米微粒的電子態(tài)由體相材料的連續(xù)能帶過渡到分立結(jié)構(gòu)的能級，表現(xiàn)在光學吸收譜上從沒有結(jié)構(gòu)的寬吸收過渡到具有結(jié)構(gòu)的特征吸收。量子尺寸效應帶來的能級改變，能隙變寬，使微粒的發(fā)射能量增加，光學吸收發(fā)生紅移，其表現(xiàn)為光吸收顯著增加，超導相向正常相轉(zhuǎn)變，金屬熔點降低，增強微波吸收等。利用等離子共振頻移與顆粒尺寸變化的性質(zhì)，可以改變顆粒尺寸，控制吸收的位移，制造具有一定頻寬的波吸收納米材料，用十電磁波屏蔽，隱形飛機等。 C4)宏觀量子隧道效應fl:微觀粒子具有貫穿勢壘的能力稱為隧道效應。近年來，人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀量，例如微顆粒的磁化強度，量子相干器件中的磁通量以及電荷等亦具

17、有隧道效應，它們可以穿越宏觀系統(tǒng)的勢壘Ifu產(chǎn)生變化，故稱為宏觀量子的隧道CAcrosopic Quantum Tunneling)。Awschalom等人io采用掃描隧道顯微鏡技術(shù)抓制納米尺度磁性粒子的沉淀，用量子相干磁強計(SQU)研究低溫條件下微顆粒磁化率對頻率的依賴性，證實了在低溫確實存在磁的宏觀量子隧道效應。這一效應與量子尺寸效應一起，確定了微電子器件進一步的微型化的極限，也限定了采用磁帶磁招進行儲存的最短時間。納米材料的性質(zhì) 由于納米粒子具有特殊效應，使納米材料在光學、催化、化學活性方面具有不同十普通材料的優(yōu)良性能【川，具體表現(xiàn)在: C1)熱學性能:納米顆粒的熔點、開始燒結(jié)和晶化溫

18、度均比常規(guī)粉體的低得多。由十顆粒小，納米微粒的表面能高，比表面原子數(shù)多，使得這些表面原子近鄰配位不全，活性大以及體積遠小于大塊材料的納米粒熔化所需的內(nèi)能小得多，這就使得納米微粒熔點急劇下降:納米微粒尺寸小，表面能高，壓制成塊材后的界面具有高能量，在燒結(jié)中高的界面能成為原子運動的驅(qū)動力，有利于界面中的孔洞收縮，空位團的湮沒，因此，在較低的溫度下燒結(jié)就能達到致密化的目的，即燒結(jié)溫度降低。 （2）磁學性能:納米微粒小到一定臨界值時，納米微粒具有超順磁性。所謂超順磁性，簡單的講就是，當外加磁場減小到零時，納米微粒的矯頑力和剩磁均趨近于零。納米微粒尺寸高于超順磁臨界尺寸時，通常呈現(xiàn)出高的矯頑力。居里溫度Tc為物質(zhì)磁性的重要參數(shù)，通常與交換積分Je成正比，并與原子構(gòu)型和間距有關(guān)。對于納米微粒，由于小尺寸效應和表面效應fu導致納米粒子的本征和內(nèi)享的磁性變化，因此一般具有較低的居里溫度。 C3)光學性能【is-m.納米微粒具有寬頻帶強吸收性。一個明顯的例子就是當尺寸減小到納米級時，各種金屬納米微粒幾乎都呈黑色。這是由于納米微粒對可見光波有低的反射率和高的吸收率，從而導致