纳米材料表征技术

《纳米材料表征技术》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、纳米材料的表征技术教学目的：讲授纳米材料的检测分析技术。重点内容：透射电子显微镜、扫描电子显微镜、扫描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜、X光衍射仪、激光拉曼光谱、。主要英文词汇transmissionelectronmiroscopeScanningelectronmicroscopeScanningTunnelingMicroscopeAtomicForceMicroscope纳米材料表征morphology(themicrostructuralornanostructuralarchitecture);TEM,SEM,STM,AF

2、Mcrystalstructure(thedetailedatomicarrangementinthechemicalphasescontainedwithinthemicrostructure);XRD,ED,LEEDchemistry(theelementsandpossiblymoleculargroupingspresent);EDS,AESelectronicstructure(thenatureofthebondingbetweenatoms).IR,UV引言在纳米材料的制备过程和性能研究中需要知道有关参量，例如材料的结构状

3、况、成分组成、缺陷分布、能级结构等，这些参量对改善材料制备工艺和提高材料性能具有不可缺少的参考价值。为此，需通过各种分析手段来得到相关信息，这就是纳米材料的表征技术。在微细尺度的表征与测量显然比宏观尺度上的工作难得多。首先从尺度上，材料的力学性能测量要制备一定尺寸的试样在诸如拉伸试验机上测试，当检验纤维和晶须(直径在微米量级)的模量、强度时，已需要专门的小型拉伸设备，而且夹持纤维、晶须的夹具要视情况作特殊的设计。对于纳米管、线、带等，目前还没有简单的尺度更小型的类似拉伸试验机，当然更谈不上检测试样的标准化。从一些间接的方法得出同一类纳米

4、材料的性能数据比较分散。纳米尺度表征与测量的难度其次从直观性上，尽管很多成像仪器已代替“眼见为实”，在微米(光学显微镜)、纳米(电子显微镜)、亚纳米(扫描隧道显微镜)等层次揭示纳米结构，但即使在最有利的情况下，如对光学显微镜而言的清洁表面、对高分辨电镜而言的薄相位体、对扫描探针而言的原子级光滑平面等，仍然有若干因素引入假象。如有透镜仪器的象差、扫描探针类仪器的针尖几何形状等。对于较复杂的情况，如那些被包埋在另一介质或另一种结构中的纳米结构，像材料中的内界面、纳米润滑膜等。目前还很难揭示其直观图像，而只能用一些替代的办法。纳米尺度表征与测

5、量的难度从计量学的角度，纳米尺度表征与测量具有特殊的重要性。扫描隧道显微镜的发明者之一H．Rohrer在1998年一次国际会议以“纳电子学、纳电机和纳机械”为题的报告中谈到这种必要性。第一，允许偏差要求严格。测量数据的起伏随被测物体的尺寸减小而增加。定性地说，由于不均匀性的影响依体积的平方根的倒数而增加。因此对纳米结构测不准的可能性增大。第二，测量信号强度较弱。对于电学的器件，小距离意味着大电场，很可能在不大的电压下便被击穿。当器件有缺陷和杂质时尤为危险。在给定每表面单位消耗一定热量和电阻恒定的条件下，电流随截面尺寸的二分之三次方减小，

6、同时，电流密度却随半径的平方根而增加。这样电迁移就成问题了。纳米尺度表征与测量的难度一般说来，纳米器件经受的电流及存储能量都比较小，相应测量信号也弱，因此信号与噪声之比也低。第三，纳米结构与宏观物体界面的干扰突出。纳米结构本身是比较特殊的构造，成分也较严格，而它与其他较大尺寸物体的接触是不可避免的。这样在接合处的结构和成分不仅与纳米结构不一样，而且较大尺寸的物体的结构与成分均匀性也不如纳米结构那样严格，因此这种界面的不均匀性是比较严重的。五十多年前，晶体管面临着封装的接触问题。也许纳工程超越也将面对类似的挑战。因此高度局域化的表征与测量

7、就显得更加重要了。纳米尺度表征与测量的难度纳米材料的性能是指在给定的一系列条件下，当某一条件发生改变时纳米材料所产生的响应。这种响应反映材料的本质。这里给定条件也很重要，如外力加于材料，它的响应是不一样的，若无约束，材料会运动；若受约束，材料会产生变形。对材料性能的测定需要建立一种广义力与广义位移的关系。在关系为线性时，性能由线性常数表征，如联系力与弹性变形的弹性模量；联系熵与温度的热容等。在关系偏离线性时，性能要由高阶的常数来描述，如联系光场电振幅与介质极化强度的极化率。技术概述材料的传输性能与材料内部参数所产生的流有关，由广义力与所

8、产生的流之间的比例常数来表征，如电导率、扩散系数等。材料还有一些难以用单项性能进行评价的特征，如两种材料之间可接合性、材料的可加工性、抗腐蚀性等。有一些材料性能随使用环境的要求更难描述，如使用于生物体内的材