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纳米材料形貌分析方法

【摘要】:材料的形貌尤其是纳米材料的形貌是材料分析的重要组成部分,材料的很多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有关,还与材料的形状有着重要关系。透射电镜具有很高的空间分辨能力,特别适合纳米粉体材料的形貌分析。

材料的形貌尤其是纳米材料的形貌是材料分析的重要组成部分,材料的很多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有关,还与材料的形状有着重要关系。形貌分析主要内容是分析材料的几何形貌、材料的颗粒度、颗粒的尺寸分布以及微区的成分和物相结构等方面的测试。

纳米材料常用的形貌分析方法主要有:扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、扫描探针显微镜(SPM)和以激光粒度仪为代表的粒度分析仪器。在这些仪器中,扫描电镜和透射电镜形貌分析提供的信息主要有材料的几何形貌、粉体的分散状态、纳米颗粒的大小和尺寸分布、特定形貌区域的元素组成和物相结构。扫描电镜可以提供从几个纳米到毫米范围内的形貌像,观察范围较大,其分辨率一般为2 nm,对于场发射扫描电子显微镜,其空间分辨率可以达到0.5 nm量级。透射电镜具有很高的空间分辨能力(分辨率在0.1 nm量级),特别适合纳米粉体材料的形貌分析。扫描探针显微镜包括扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)、横向力显微镜、磁力显微镜和静电力显微镜等。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,适合于具有导电性的薄膜材料的形貌分析和表面原子结构分析。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0.1~10 nm。比扫描隧道显微镜差,但适用于导体和非导体样品。与各种显微镜不同,粒度分析仪器虽然不能直观看到纳米材料的形貌,但由于它提供的信息来源于大量样品,更能表征出样品的整体颗粒大小和分布范围,因而是纳米材料形貌分析中不可取代的一种测量方式。总之,这几种形貌分析方法各有特点,如粒度分析的取样率较高,可实现在线测试;而各种显微镜可直观呈现出纳米材料的几何结构和形态,而且具有可以在不同气氛环境下进行原位形貌分析的特点。