纳米纳米结构的x射线能谱仪

纳米纳米结构的x射线能谱仪

纳米是近年来发展迅速的新兴材料。它现在广泛应用于冶金、化工、食品储存、涂料、能源、食品和其他科学领域。纳米科学和技术是多学科的高科技成本，它们研究了材料的性质和相互作用，并将这些特性用于使用。纳米科技是未来高科技的基础,适合纳米科技研究的仪器分析方法是纳米科技中必不可少的实验手段。研究纳米材料的方法很多,如电子显微技术、衍射技术、光谱学技术、热分析技术以及各种磁谱、表面分析谱和动态结构谱等。在这些分析方法中,电子显微技术是应用最早、范围最广也是最常见的一种纳米材料表征手段。电子显微技术是以电子束为光源,用一定形状的静电场或磁场聚焦成像的分析技术,比普通光学显微镜具有更高的分辨率。根据其所检测信号的不同,电子显微技术主要包括透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)、扫描透射电镜(STEM)、扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)、电子探针(EPM)、俄歇电子能谱(AES)、场发射显微镜(FEM)和场离子显微镜(FIM)等。1纳米ti2的表征SEM在纳米材料的分析中应用很广,它可用于纳米材料的粒度分析、形貌分析以及微观结构的分析等。SEM一般只能提供微米或亚微米的形貌信息,与TEM相比,其分辨率较低,因而表征结果不如透射电镜准确,但目前的SEM都配有X射线能谱仪装置,可以同时进行显微组织形貌的观察和微区成分分析,是当今普遍使用的科学研究仪器。李东等利用溶胶-凝胶法制备了纳米TiO2粉体,用扫描电镜对纳米TiO2进行了表征。莫尊理等以甲基丙烯酸甲酯(MMA)和三氯甲烷(CHCl3)为油相制备反胶束微乳液,依靠表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵自组装形成的“微反应器”作为模板成功地制备了PMMA/Eu(OH)3/EG和PMMA/Ni(OH)2/EG纳米复合材料。其SEM结果表明,无机纳米粒子在石墨片层间分布均匀,且粒径较小,平均粒径在10～50nm左右,同时,可以很明显地看出无机晶体与石墨片层及有机体结合紧密,它们之间应存在相互吸附作用。目前,研究新型的SEM已成为扫描电镜发展的主要趋势,SEM的发展主要有低压SEM,场发射SEM和分析型SEM等。田彦宝等以环境扫描电镜(ESEM)为基础,配置氧气微注入系统及加热台附件,作为ZnO纳米线生长的微型实验室。此外,纳米操纵仪结合SEM系统将越来越多地应用于纳米材料与器件的研究。董幼青等利用纳米操纵仪结合扫描电子显微镜系统对单壁碳纳米管进行在线操纵,在此基础上,通过外接的半导体参数测量系统,可以测量单壁碳纳米管的电学性能。此外,通过纳米操纵手对碳纳米管施加外电场,还可以改变二氧化硅表面单壁碳纳米管的扫描电子显微镜成像。2tem的应用透射电镜一般分为分析型透射电镜和高分辨透射电镜。TEM的分辨率较高,可用于研究纳米材料的结晶情况,观察纳米粒子的形貌、分散情况及测量和评估纳米粒子的粒径,是研究材料微观结构的重要仪器。利用透射电镜的电子衍射能够较准确地分析纳米材料的晶体结构,配合XRD,SAXS,特别是EXAFS等技术能更有效地表征纳米材料。可结合电子显微镜和能谱两种方法共同对某一微区的情况进行分析。此外,微区分析还能够用于研究材料夹杂物、析出相、晶界偏析等微观现象。利用透射电镜法测试纳米材料的粒度大小及其分布,是最直观的测试方法之一,可靠性较高,但该法的准确性很大程度上取决于取样的代表性和扫描区域的选择。利用TEM进行微观结构分析时,配以能谱可以研究元素在试样内部的存在状态或分布情况。近年来,高分辨率透射电镜(HRTEM)的应用越来越广泛,利用HRTEM可获取有关晶体结构的更可靠的信息。Tang等用H2还原法合成了Pt纳米粒子,TEM分析发现反应物H2PtCl6的量在纳米粒子的形成和生长过程中起重要作用。Drake等合成了金纳米粒子,并使其粘附在固定相合成树脂上,TEM分析表明,单个金纳米粒子的平均尺寸为(3.9±0.5)nm。陈天虎等制备了凹凸棒石-TiO2纳米复合光催化材料。高分辨透射电镜表征结果显示:TiO2颗粒直径5～10nm,具有锐钛矿结构,在凹凸棒石表面分布均匀。同SEM一样,纳米操纵仪在TEM系统中也已经获得了很多应用。在TEM系统中,对多壁碳纳米管(CNTs)进行操纵并利用电子束焊接,获得碳纳米管导电互联网络;用双操纵手可研究单壁碳纳米管SWNTs的延展性,CNTs的拉伸特性,以及对CNTs的端部进行“尖锐化”处理。3准确观察表面,发挥其观察效果STM是利用隧道电流对材料的表面形貌及表面电子结构进行研究,是目前世界上分辨率最高的显微镜。STM在纳米技术中最引人注目的成就之一是实施单个原子的操作和控制。STM不仅可以观察到纳米材料表面的原子或电子结构,表面及有吸附质覆盖后表面的重构结构,还可以观察表面存在的原子台阶、平台、坑、丘等结构缺陷。STM在成像时对样品呈非破坏性,实验可在真空或大气及溶液中进行。另外,它可以实时测量物体表面的空间三维图象,实现了人类长期追求的直接观察原子真面目的愿望。而且STM还具有广泛的适用性,如刻划纳米级微细线条、移动原子等实际操作。因此STM已成为研究纳米科学技术的主要工具。彭光含等用高精度IPC205B型扫描隧道显微镜测得纳米碳酸钙的扫描隧道谱。该隧道谱表明,纳米碳酸钙具有半导体性质,与普通碳酸钙相比,其导电性能有了明显改善。熊正烨等研究了如何用STM观察纳米粉体的形貌,对纳米材料的制备及其测试过程做了详细论述.李绍春等以Pb/Si(111)为研究体系,阐述一种构建纳米结构的新方法,即利用STM精确地操纵大量原子/分子来精确地构建纳米结构。4其他纳米结构材料AFM的工作原理和STM类似,而且AFM弥补了STM只能直接观察导体和半导体的不足,可以极高分辨率研究绝缘体表面。其横向、纵向分辨率都超过了普通扫描电镜的分辨率,而且AFM对工作环境和样品制备的要求比电镜要求少得多,因此应用范围很广。在纳米材料的研究中,AFM可用于纳米结构材料形貌状态的分析,包括纳米晶固体薄膜、LB膜及纳米结构陶瓷材料等。通常,AFM可结合TEM或STM技术来研究纳米粒子。另外,利用导电AFM可研究纳米材料的电学特性,还可操纵原子、分子、纳米粒子和纳米管。AFM可以对纳米薄膜进行形貌分析,分辨率可以达到几十纳米,适合导体和非导体样品,不适合纳米粉体的形貌分析。陈霞等利用DNA作为模板剂建造具有特殊结构和功能的纳米材料LB膜,然后利用AFM观察了天然鲑鱼精DNA分子在LB膜中的排列形态的初步结果。周南等用皮粉及山羊酸皮作为胶原替代物,采用溶胶凝胶法制备纳米TiO2胶原复合材料。复合材料中原位形成的纳米TiO2微粒,在AFM下所观察到的粒径大小约为40nm。ATM可以应用于催化纳米材料的表征中。用ATM扫描纳米ZnO颗粒可清楚地观察到催化剂颗粒的大小、形状及其在基片上的分布状况。运用后处理软件可进行粒度分析,得到其粒度分布的信息。此外,喇曼-原子力显微镜(Raman-AFM)是一种基于探针增强喇曼散射效应(TERS)的新型形貌表征与光电测试设备,它利用了AFM原子级的空间分辨率的优点,能够在纳米尺度上研究低维结构材料与器件的喇曼特性,近年来受到了特别的关注。目前,它的空间分辨率一般约为30nm,比较好的能做到约10nm。5碳纳米管的场蒸场应用除上述四种方法外,EPM、FEM和FIM也应用于纳米材料的研究中。例如采用电子探针微区分析法EPMA可对纳米材料的整体及微区的化学组成进行测定。场离子显微镜(FIM)能达到原子级分辨率,在固体表面研究中占有相当位置,尤其是表面微结构与表面缺陷方面,它常与光谱分析法,热分析和XRD结合使用。柏鑫等将单根多壁碳纳米管组装在W针尖上并送入超高真空场发射/场离子显微镜进行场蒸发及场发射(UHV-FEM/FIM)研究。结果表明,场蒸可以降低单根多壁碳纳米管的逸出功,从而增强其场发射能力。另外,各种电子显微镜的联用技术也是研究的热点。刘安平等设计了一种相对简易的AFM系统-STM检测方式的原子力显微镜纳米检测系统,该系统采用隧道电流工作方式,将STM和AFM组合兼容,既节约成本,又提高了仪器的使用效率。杨晶研究了将扫描电子显微镜与扫描隧道显微镜结合起来,这样可以实现从宏观到微观,从mm范围到nm范围,从粗造表面到光滑表面的直接观察,也可以解决扫描隧道显微镜难于定位的难题,使普通的扫描电子显微镜升级改造为超高分辨率的扫描电子显微镜。6原位形貌分析的发展目前,电子显微技术在纳米材料中的应用主要是TEM、SEM、STM、AFM四种,这四种分析方法各有特点,不同的方法在不同方面可以提供更完美的信息。电镜分析具有更多优势