材料的表征方法总结

1、材料的表征方法2.3.1 X 射线衍射物相分析射线衍射法,除了用于对固体样品进行物相分析外,还可用来测定晶体X 粉末射线衍射分析用于物相分析结构的晶胞参数、点阵型式及简单结构的原子坐标.X是物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的原理是：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 ：公式据XRD衍射图,利用 Schercr K )(2 COSLX或0.89;为p式中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为粒度大小或一致衍射晶畴大小；e为射线波长,当使

2、用铜靶时,又 1.54187 A; L和位置(2a)可以计算纳米粒子的粒径,布拉格衍射角.用衍射峰的半高宽 FWHM 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由X X射线管电压XD/max-rA型射线粉末衍射仪,实验采用 CuKa 1靶,石墨单色器,学 0 00 ,小角衍 (2-80 ) /4 s,大角衍射扫描范围20 kV ,电流40 mA,扫描速度0.01 500o 0 -5射扫描范围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

3、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10min C.进行热分析,国耐驰)N2保护器.升温速率为 10 .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,其平行和垂直于外表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外表的近原子像;其次是能得到外表的三维图像,可用于测量具有周期性或不具备周期性的外表结构.通过 探针可以操纵和移动 单个分子或原子,根据人们的意愿排布分子和原子

4、,以及实现对外表进行纳米尺度的微加工,同时,在测量样品外表形貌时,可以得到外表的扫描隧道谱,用以研究外表电子结构.测试样品的制备：将所制的纳米FeO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32悬浊液滴在微栅膜上,枯燥,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 o2.3.4 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(

5、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把戏、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,200 kV o加速电压为X射线能量弥散谱仪 2.3.5X射线的波长和强度就能得每一种元素都有它自己的特征X射线,根据特征 EDS分析的元出定性和定量的分析结果,这是用X射线做成分分析的理论依据.550A ,分析时素范围Be4-U9a, 一般的测量限度是 0.01%,最小的分析区域在射线能谱仪是一种微区微量分析仪.用谱仪做微区成

6、分分析的间几分钟即可.X射线激发范围有关,通常此区域范最小区域不仅与电子束直径有关,还与牛I征X m和.X射线谱仪的分析方法包括点分析、线分析和面分析.在TEM围为约1射线谱来分析材料微区的化学成分.SEM里,通常结合使用特征 X 2.3.6傅里叶一红外光谱仪等化傅里叶一红外光谱仪可检验金属离子与非金属离子成键、金属离子的配位粉末充分枯燥,研细后学环境情况及变化.测试样品的制备：将合成的纳米Fe203 1:500混合,于200 MPa10*0.3 m下压制成的透明薄片.在与 KBr以体积比为 KBr片的红外吸收光谱.室温下,将 制备好的固测定样品谱图之前,先测定空白体样品置于红外样品池中的适当

7、位置,使其透射率到达最正确,用真空机组将系统-4表征是的高空,然后扫描,扫面范围为 4000 cm 400 cm 1 aFT-IR抽至10 Pa上进行的.美国Perkin Emer公司在Spectrum One B红外光谱仪 2.3.7拉曼 光谱低维纳米材料,它拉曼光谱是一种研究物质结构的重要方法,特别是对于研究已经成为首选方法之一.拉曼光谱是分子的非弹性光散射现象所产生,非弹性光散射现象是指光子与物质分析发生相互碰撞后,在光子运动方向发生改变的同时.拉曼光谱产生的条件是某一简谐振动对应于还发生能量的交换非弹性碰撞分子的感生极化率变化不为零时,拉曼频移与物质分子的转动和振动能级有关,拉曼光谱具

8、有灵敏不同物质有不同的振动和转动能级,同时产生不同拉曼频移度高、不破坏样品、方便快速等优点.利用拉曼光谱可以对材料进行分子结构分 析、理化特性分析和定性鉴定等,可揭示材料中的空位、间隙原子、位错、晶界JobinYvon 法国,Labram-O 10激光拉曼光谱仪和相界等方面信息.本研究采用 ,夹缝和针孔的大 小分50倍的目标间距8 nm 利用632.8 nm He-Ne激光激发,1000 ,m o 别为100 m和2.3.8 N:吸附脱附等温线分析和孔径分析吸附平衡等温线 是以恒温条件下吸附质在吸附剂上的吸附量为纵坐标,以压 N2尸.为气为气体的真实压力；的曲线.通常用相对压力P/P.表示压力

9、；P力为横坐标 两局部.平衡等和 脱附体在测量温度下的饱和蒸汽压.吸附平 衡等温线分为吸附IUPAC的吸附等温线的形状与材料的孔组织结构有着密切的关系.我们惯用的是II表示在大孔吸附剂表示在微孔吸附剂上的吸附情况；类型I温线6种分类,类型表示为在大;上的吸附情况,此处吸附质与吸附剂间存在较强的相互作用类型III孔吸附剂上的吸附情况,但此处吸附质分子与吸附剂外表存在较弱的相互作用,是有毛细凝结的单层 类型IV;吸附质分子之间相互作用对吸附等温线有较大影响VI是外表均匀非多孔吸附V类型是有毛细凝结的多层吸附情况；类型吸附情况；,亦称作吸附的滞后 毛细凝结现象,又称吸附的滞留回环剂上的多层吸附情况.

10、现象.吸附等温曲线与脱附等温曲线的互不重合构成了滞留回环.这种现象多发介孔结构的吸附剂 当中.IUPAC将吸附等温线滞留回环的现象分为生在4种情况.第一种H1情况,滞留 回环比拟窄,吸附与脱附曲线几乎是竖直方向且近乎平行.这种情况多出现在通过成团或压缩方式形成的多孔材料中,这种材料有着较窄的.宽大,脱附曲线远比吸附曲线陡.这种孔径分布；第二种H2情况,滞留回环比拟情;第三种H3情况多出现在具有较多样的孔型和较宽的孔径分布的多孔材料当中况,滞留回环的吸附分支曲线在较高相对压力作用下也不表现极限吸附量,吸附孔状结构的 片量随着压力的增加而单调递增,这种情况多出现在具有狭长裂口型,吸附脱附 曲线也近

11、乎平行；第四种H4情况,滞留回环也比拟狭窄,当中状材料.H1不同的是两分支曲线 几乎是水平的 但与IUPAC 吸附等温曲线分类图 2.1Beckman Coulter吸附一脱附比外表积和孔容分析仪本研究采用的N:Beckman匕外表积和孔容分析仪下, 利用LSA3100 : N:吸附一脱附等温线在一 196 0C进行测 试.Coulter SA3100射线光电子能谱 2.3.9 X X射线照射样品外表, 使其原子或分子的电 X射线 光电子能谱(XPS )就是用子受激而发射出来,测量这些光电子的能量分布,从而获得所需的信息.随着微X射线光电子能谱,电子技术的开展,XPS也在不断完善,目前,已开发

12、出的小面积XPS的空间分辨水平.通过对样品进行全扫描,在一次测定中即可检测大大提升了和能带结外表元素分析、化学态出全部或大局部元素.因此,XPS已开展成为具有 射线光电子能谱的 微区化学态成像分析等 功能强大的外表分析仪器.X构分析以及：的能量关系式有理论依据就是爱因斯坦的光电子发散公式. 根据 Einsteinby=Eb+Ek是的,借助光电子能谱仪可以测出光电过程中被入射式中,入射光子能量by o由于各种Ek,从而可求出内层电子的轨道结合能Eb光子所激发出的光电子能量原子都有一定结构,所以知道Eb值后,即能够对样品进行元素分析鉴定.XPS作为研究材料外表和界面电子及原子结构的最重要手段之一,

13、原那么上可以测定元素周期表上除氢、氨以外的所有元素.其主要功能及应用有三方面：第一,可提供物质外表几个原子层的 元素定性、定量信息 和化学状态信息；第二,可对非均相覆 盖层进行深度分布分析 ,了解元素随深度分布的情况；第三,可对元素及其化学 态进行成像,给出不同化学态的不同元素在外表的分布图像等.本文采用的是 PHISSOOESCA 能谱仪,主要的实验参数为 ：Mg Ka 200 W ,真空度1.0X10-Paa 纳米氧化铁的形貌限制合成及性能第二章实验中的表征手段2X射线衍射分析(XRD)X射线门从1859年发现以来.就刃到了极为广泛的应用.X-纹衍射是探索物质在 分;、原子以及电f等廿次微

14、观结构的最重要的手段之一,X射线是一种波长很短 (0.005425nm)的电磁波当高速电f撞击靶质干忖,电/能利原子核内K屋上个电 子击出并产*空穴,此时具在较高能量的外乂电f跃迁到KU.箕骅放的能量以X射战 的形式(K系射线,电从L匚氏迁到KU祢为,)发时出去.系常可以用X射线桁射进 行单品定向,晶体缺陷研究、物相的定性和定吊分析、晶格带数及固溶度测定和晶粒的 大小及山变等方面I：作I.本文主要怂利用X财线所时分析料品的相组成及结构,泅定 品G的大小 样品的X射线射射寞验是在H木的1?2T21001中加向十型乂射线衍射仪上进 行的.衍射源为铜靶(CuKj. Z-0.15418iun),加速电

15、压40.0kV,管电流20.0kA,扫描范 围570°,打描速度200.你in,步长0 02%XRD物和定性分析物相定性分析的II的是利用XRD用射向位置以及强度,鉴定 未知样品是由强物碘成I-：白原理忠叫 由各祀射峥的角度位置所确定的品而间汴 d以及它们的相对强度力是物庾的固仃特性.姆种物质都竹其特定的同体结构和必胞 尺寸,而这些乂 L/灯射向和衍射强发有着对应关系,因此,可以根据衍射数据来帘别物 质结构.通过将卡通物将未衍射把戏与物质的衍射把戏相比拟.逐鉴定出样品中 的各种物相目前,可以利用粉末衍射卡片进行直:接比对.也可以讨算机数据库可接进 行检察.XRD粒度分析纳米材料的晶粒

16、尺寸大小K接影响到材料的性能.XRDN以很方 便地提供纳米材料同粒度的数据.测定的原理又于样品衍射线的窗度和材料晶粒大小疗 关这一现象.当晶粒小FlOOnm时,其衍射峰随晶粒尺寸峰变小而宽化.当从粒大于100 nni时,优化效应那么不明显.X射线测定晶粒的平均粒衿采用谢乐(Scherrer)方杵：“ 融/(3cos.)(2.1)其中B代收因制米粒f的细化引出的X肘线宽化,为实测宽化.仪器宽化Bs 之洋:B二BrBs,0为Bragg用,1为X射线波长.为一常数,具体值,宽化及B 有关. 着5取衍射峰的华高宽,那么取089：假设取衍射峰的枳分宽度,那么弋1.由此式可计W 出纳米颗粒的,次粒径,在我

17、们的实验中限的是半而宽.就是测量的必粒尺寸.此外, 根据晶粒大小还可以计彝晶胞的堆垛层数N =ldw(2.2)和纳米粉体的比外表枳3 = 6/32.3在这里,N为堆垛层数,表示垂直于岛面麻.的厚度,加为晶面间即.为比 外表枳,0为纳米材料的晶体密度.22透射电镜分析TEM透射电广状微愉足种高分辨率、而放大倍数的显微饰,是观咏和分析材料的形貌, 纠织和结构的行效LtU它用波长极短的聚焦电子束作光源,使用对电子束透明的薄膜 试样几I到几百纳米,以透射电子为成像信号.对卜粉体样品,利用透射电镜可以分 析样品的融粒度分布、粒子形貌等,用它的区域电子衍射技术还可以确定粒子品形、品 格常数,可用于物相鉴定

18、网.本工作利用用于电镜分析样品的彩貌、粒子大小及物相. 透射电镜分析把住“木JEOL公司的JEM-2000FX型透射电位上进行的.仪器的加速电压 为lOOkV 可根据具休样品的不同来选择加速电压.2 3 BET法测比外表积固体1 定的儿何外形,借通常的仪播和计算可求知其借面积.但粉木或多孔性物 质&血枳的测定较困难,它们不仅JITF小规那么的外衣血,还T"复杂的内衣血,通常称Ig W体所占行的总衣向枳为该物质的比外表枳S.Z孔物比女血枳的测量,无论在科研还 足工业牛:产中都JITT十分中:要的意义.般比我血枳大、活性大的多孔物、吸附水平强.比表而积分析测试方法有多种,其中气体

19、吸附法因其测试原理的科学性,测试过程 的可靠性,测试结果的一致性,在国内外各行各业中被广泛采用,并逐渐取代了其它比 外表积测试方法,成为公认的最权威测试方法L气体吸附法测定比表血枳原理,是依据气体在冏体外表的吸附特性,在一定的压力 卜,被测样品颗粒吸附剂外表在超低温下对气体分子吸附质具仃可逆物理吸附 作用,并对应一定压力存在确定的平定的附量.通过测定出该平衡吸附量,利用理论模 型来等效求出被测样品的比外表枳.由于实际颗粒外外表的不规那么性,严格来讲,该方 法测定的是吸附质分上所能到达的颗粒外衣而和内部通孔总及面积之和,如下图意位 置.压力和吸附的气体,根据BET方程式1求出试样和分子层吸附量,

20、从而计算出 试样的比我面枳.图2.1吸附气体分广的颗粒Fig. 2.1 Paiticlc of absabcd gas moleculeS=?NA(2.4)式中,乙为单分子层吸附气体的体枳：匕为气体的摩尔体积：2为阿伏加怏罗常 量：4为吸附质分子的截面积.固体比外表枳测定时常用的吸附质为N?气,一个N2分子 的板面枳一般为058nnJ.根据气体吸附盘.相对压强的关系推导出BET方程式狗JI体过程见附象.本文所做 的BET测最分析是在H本的岛津制作所制的Gemini吸附装首上进行的.气体吸附质为 N 2.坤形颗粒的比表向枳Sjf与其直径那关系为：Sw = 6i pd(2.5)式中而为理量比外表积

21、(m7g) , d为颗粒汽径(m),夕为默粒密度(kg/m3)从而可计 算得出纳米就黄的粒径大小.图2.2 Gemini气体吸附装置Fig. 2 2 Gemini gas absotption device2.4 矍动样品磁强计VSMVSM是一种高氨敏度的磁短测吊:仪器它采用电磁感应嫁理,测后在一盥探测线圈 中央以固定频率和振幅作懒振动的样品的触矩口对J-足卷小的样品,它在探测线圈中报 动所产生的感应电压与样品磁矩.振幅、振动频率成正比.在保证振幅、振动频率不变 的植础J用锁相放大器*量这一电压.即可计算出特测样品的磁矩足.VSM是磁性实验邕中隔用范围很广的测试设普,适用范围除永磁材料以外,V

22、SM 适介r测试以卜材料,xvw 及铁磁性材料、顺磁材料和抗下磁材料;各向异性材料; 磁记录材料；磁-光学材料；稀土和过渡元素、HM金属,高导磁率材料、金属蛋白等 形式的铁遨物质.此外,vsm还适用于块状.粉末,徜片、单晶和液体等多种形状和 形态的材料,能够在不同的环境卜71到被测材料的多种磁特性口可以直接从酬试中将到 的内容包括：B*H曲线、M.H曲线、机始化磁化曲鼓.磁滞回线上的内参数I并能膈 测量材料的用句磁特忖ir.x. nw, 1T.7：勺：作尊测他样M的礴滞卜峨, 班性分析出A II本的VSM-3S型趣动样品罐强计上进行的.所加施场范国为 -lOkOc 40kOo<2.5 超

23、导量子磁强计MPMS超导量子F涉仪是我用超导量子干预元件元QUID结合了电子,机械、低温、中空 等技术来量测碘化率的精密仪器阳】.它的用途广泛,可用作谶强“、磁场梯度计、低温 温度计.检流计,其灵敏度之高,令人惊讶*在探测技术方面,超导量子干预仪般件网 样具有极高的元敝度,特别适仆MI时微彼弱磁场反常现象和孔外幅肘的探测邂位. WQUIDF是目前所发现地河败的磁感应兀件.故它最适合微小磁化率的!朝胤我们利用 共磁性测值系统MPMS对样品进行了磁性能测试n测或足缶QUANTUM DESIGN公 4研发的MPM品2仪器上进行的.司攫300K.磁场范围-lOkOAiakCk本章小结本章对实验过程中,

24、制备所得产物的物相,粒在,形貌,比外表机、磁性能等的表 征手段做了的单介绍.纳米氧化铁的制备及磁性能研究包跃宇2021年6月11日大连交通大学1.1.1纳米材料简介纳米是一种长度单位,一纳米等十十亿分之一米,大约是二四个原子的宽度.纳米 材料又称为超微颗粒材料,由纳米粒子组成,一般是指尺寸在1100纳米之间的粒子,是处在原子簇和宏观物体的过渡区域,从通常的关十微观和宏观的观点看,这样的系统 既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统,是一种典型的介观系统.纳米材料具有二个共同的结构特点'：C1纳米尺度的结构单兀或特征维度尺寸在纳米数量级1100 nm;C2存在大量的界面或自由界面或自由外表;

25、C3各纳米单兀之间存在着或强或弱的互相作用.纳米材料这些结构特点导致了它具有如下四 个方面的效应并由此派生出传统固体所不具有的许多特殊性.1体积效应f2-l:由十纳米粒子体积极小,所包含的原子数很少,相应的质量极小.因此,许多现象就不能用通常有无限个原子的块状物质加以说明了,这种特殊的现当纳米粒子的尺寸与传导电子的德布罗意波长相当或：象通常称为体积效应.它表现为更小时周期性及熔点等都会较普通粒子发生了很大的变化.外表效应是指纳米粒子外表原子与总原子数之比随粒径的变小2 外表效应卜7:给出了纳米粒子尺寸与外表原子数的关系IfIJ急剧增大所引起的性质的变化.表 1.1缸1彼检与一而原子的tt例Ta

26、blcLl ftcportiou ofpailicJt size aud sigfacxalauiE菽汾 inn r10s1衣而原于故 t工1炉工5 1斤30外表原尸所占比例Ki204099说明随着粒径减小,外表原子数迅速增加,另外,随着粒径的减小,纳米粒子表1.1的外表积,外表能及外表活性能迅速增大.这主要是由十粒径越小,外表的原子数越多,外表原子的晶场环境和结合能与内部原子不同,外表原子周围缺少相邻的原子,有许多稳定化,故具有很大的化学活性,晶悬空键,具有不饱和性质,易与其它原子相结合 Ifu体微粒化伴有这种外表原子的增多,其外表能增加.激子波尔半径,C3量子尺寸效应fsl.粒子尺寸下降到

27、接近或小十某一定值时费米能级附近的电子能级由连续能级变为分立能级的现象称为量子尺寸效应.半导体纳 米微粒的电子态由体相材料的连续能带过渡到分立结构的能级,表现在光学吸 收谱上从没有结构的宽吸收过渡到具有结构的特征吸收.量子尺寸效应带来的能级改变,能隙 变 宽,使微粒的发射能量增加,光学吸收发生红移,其表现为光吸收显著增加,超导相向正常相转变,金属熔点降低,增强微波吸收等.利用等离子共振频移与颗粒尺寸变化的性质,可以改变颗粒尺寸,限制吸收的位移,制造具有一定频宽的波吸收纳米材料,用十电磁波屏蔽,隐形飞机等.隧道效应.近年来,fl: C4宏观量子隧道效应微观粒子具有贯穿势垒的水平称为人们发现一些宏

28、观量,例如微颗粒的磁化强度,量子相干器件中的磁通量以及电荷等亦Ifu产生变化,故称为宏观量子的隧道具有隧道效应,它们可以穿越宏观系统的势垒制纳等人.Awschalomio采用扫描隧道显微镜技术抓CAcrosopic Quantum Tunneling 研究低温条件下微颗粒磁化率对米尺度磁性粒子的沉淀,用量子相干磁强计SQU频率的依赖性,证实了在低温确实存在磁的宏观量子隧道效应.这一效应与量子尺寸效进行储存的应一起,确定了微电子器件进一步的微型化的极限,也限定了采用磁带磁招最短时间.1.1.2纳米材料的性质由于纳米粒子具有特殊效应,使纳米材料在光学、催化、化学活性方面具有不同十普通材料的优良性能【川,具体表现在：纳米颗粒的熔点、开始烧结和晶化温度均比常规粉体的低得多.C1热学性能由十颗粒小,纳米微粒的外表能高,比外表原子数多,使得这些外表原子近邻配位不全,活性大以及体积远小于大块材料的纳米粒熔化所需的内能小得多,这就使得纳米微粒熔纳米微粒尺寸小,外表能高,压制成块材后的界面具有高能量,在烧结中点急剧下降：高的界面能成为原子运动的驱动力,有利