材料的表征方法总结

材料的表征方法2.3.1 X 一射线衍射物相分析粉末 X 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 结构的晶胞参数、点阵型式及简单结构的原子坐标。X 射线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确定的晶面间距 d 以及它们的相对强度 Ilh 是物 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 据 XRD 衍射图，利用 Schercr 公式:cos)2(LK式中 p 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 或 0.89;为 X 射线波长，当使用铜靶时，又 1.54187 A; L 为粒度大小或一致衍射晶畴大小;e 为 布拉格衍射角。用衍射峰的半高宽 FWHM 和位置(2a)可以计算纳米粒子的粒径，由 X 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 学 D/max-rA 型 X 射线粉末衍射仪，实验采用 CuKa 1 靶，石墨单色器，X 射线管电压20 kV，电流 40 mA，扫描速度 0.01 0 (2) /4 s，大角衍射扫描范围 5 0-80 0，小角衍 射扫描范围 0 0-5 0o 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(德国耐驰)进行热分析，N2 保护器。升温速率为 10 0C. .1min 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，其平行和垂直于表面方向的分辨率 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表面的近原 子像;其次是能得到表面的三维图像，可用于测量具有周期性或不具备周期性的 表面结构。通过探针可以操纵和移动单个分子或原子，按照人们的意愿排布分子 和原子，以及实现对表面进行纳米尺度的微加工，同时，在测量样品表面形貌时， 可以得到表面的扫描隧道谱，用以研究表面电子结构。测试样品的制备:将所制 的纳米 Fe203 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 悬浊液滴在微栅膜上，干燥，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 o 2.3.4 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(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 和相应的衍射花样、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， 加速电压为 200 kV o 2.3.5 X 射线能量弥散谱仪每一种元素都有它自己的特征 X 射线，根据特征 X 射线的波长和强度就能得 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。EDS 分析的元 素范围 Be4-U9a，一般的测量限度是 0.01%，最小的分析区域在 550A，分析时 间几分钟即可。X 射线能谱仪是一种微区微量分析仪。用谱仪做微区成分分析的 最小区域不仅与电子束直径有关，还与特征 X 射线激发范围有关，通常此区域范 围为约 1. X 射线谱仪的分析方法包括点分析、线分析和面分析。在 TEM 和m SEM 里，通常结合使用特征 X 射线谱来分析材料微区的化学成分。 2.3.6 傅里叶一红外光谱仪傅里叶一红外光谱仪可检验金属离子与非金属离子成键、金属离子的配位等化 学环境情况及变化。测试样品的制备:将合成的纳米 Fe203 粉末充分干燥，研细后与 KBr 以体积比为 1:500 混合，于 200 MPa 下压制成10*0.3 m 的透明薄片。在测定样品谱图之前，先测定空白 KBr 片的红外吸收光谱。室温下，将制备好的固 体样品置于红外样品池中的适当位置，使其透射率达到最佳，用真空机组将系统 抽至 10-4 Pa 的高空，然后扫描，扫面范围为 4000 cm 一 400 cm 1 a FT-IR 表征是 在 Spectrum One B 红外光谱仪(美国 Perkin Elmer 公司)上进行的。 2.3.7 拉曼光谱拉曼光谱是一种研究物质结构的重要方法，特别是对于研究低维纳米材料，它 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 还发生能量的交换(非弹性碰撞)。拉曼光谱产生的条件是某一简谐振动对应于 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， 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拉曼光谱具有灵敏 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 和相界等方面信息。本研究采用 Labram-O 10 激光拉曼光谱仪(法国，Jobin Yvon ) 利用 632.8 nm He-Ne 激光激发，50 倍的目标间距(8 nm )，夹缝和针孔的大小分 别为 100 m 和 1000 ,m o 2.3.8 N:吸附脱附等温线分析和孔径分析N2 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 力为横坐标的曲线。通常用相对压力 P/P。表示压力;P 为气体的真实压力;尸。为气 体在测量温度下的饱和蒸汽压。吸附平衡等温线分为吸附和脱附两部分。平衡等 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 IUPAC 的吸附等 温线 6 种分类，类型 I 表示在微孔吸附剂上的吸附情况;类型 II 表示在大孔吸附剂 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 表示为在大 孔吸附剂上的吸附情况，但此处吸附质分子与吸附剂表面存在较弱的相互作用， 吸附质分子之间相互作用对吸附等温线有较大影响;类型 W 是有毛细凝结的单层 吸附情况;类型 V 是有毛细凝结的多层吸附情况;类型 VI 是表面均匀非多孔吸附 剂上的多层吸附情况。毛细凝结现象，又称吸附的滞留回环，亦称作吸附的滞后 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 生在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 4 种情况。 第一种 H1 情况，滞留回环比较窄，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 孔径分布;第二种 H2 情况，滞留回环比较宽大，脱附曲线远比吸附曲线陡。这种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;第三种 H3 情 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 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孔状结构的片 状材料当中;第四种 H4 情况，滞留回环也比较狭窄，吸附脱附曲线也近乎平行， 但与 H1 不同的是两分支曲线几乎是水平的。图 2.1 吸附等温曲线分类(IUPAC )本研究采用的 N:吸附一脱附比表面积和孔容分析仪(Beckman Coulter SA3100 ) : N:吸附一脱附等温线在一 196 0C 下，利用 L 匕表面积和孔容分析仪(Beckman Coulter SA3100)进行测试。 2.3.9 X 射线光电子能谱X 射线光电子能谱(XPS )就是用 X 射线照射样品表面，使其原子或分子的电 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 电子技术的发展，XPS 也在不断完善，目前，已开发出的小面积 X 射线光电子能谱， 大大提高了 XPS 的空间分辨能力。通过对样品进行全扫描，在一次测定中即可检测 出全部或大部分元素。因此，XPS 已发展成为具有表面元素分析、化学态和能带结 构分析以及微区化学态成像分析等功能强大的表面分析仪器。X 射线光电子能谱的 理论依据就是爱因斯坦的光电子发散公式。根据 Einstein 的能量关系式有:by=Eb+Ek 式中，入射光子能量 by 是已知的，借助光电子能谱仪可以测出光电过程中被入射 光子所激发出的光电子能量 Ek，从而可求出内层电子的轨道结合能 Eb。由于各种 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 研究材料表面和界面电子及原子结构的最重要手段之一，原则上可以测定元素周 期表上除氢、氦以外的所有元素。其主要功能及应用有三方面:第一，可提供物 质表面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表面的分布图像等。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 纳米氧化铁的形貌控制合成及性能 学位申请人姓名李莉莉纳米氧化铁的制备及磁性能研究包跃宇 2009 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表面;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 象通常称为体积效应。它表现为:当纳米粒子的尺寸与传导电子的德布罗意波长相当或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。(2)表面效应卜 7:表面效应是指纳米粒子表面原子与总原子数之比随粒径的变小 IfIJ 急剧增大所引起的性质的变化。表 1.1 给出了纳米粒子尺寸与表面原子数的关系表 1.1 说明随着粒径减小，表面原子数迅速增加，另外，随着粒径的减小，纳米粒子 的表面积，表面能及表面活性能迅速增大。这主要是由十粒径越小，表面的原子数越多， 表面原子的晶场环境和结合能与内部原子不同，表面原子周围缺少相邻的原子，有许多 悬空键，具有不饱和性质，易与其它原子相结合 Ifu 稳定化，故具有很大的化学活性，晶 体微粒化伴有这种表面原子的增多，其表面能增加。C3)量子尺寸效应fsl.粒子尺寸下降到接近或小十某一定值时(激子波尔半径)， 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，