前言纳米材料科学是20世纪末在材料科学领域中发展-仪器信息网.PDF

前 言 纳米材料科学是 20世纪末在材料科学领域中发展起来的一个新兴的研究 方向。由于纳米材料具有许多优良的特性诸如高比表面、高电导、高硬度、高磁 化率等，不仅备受材料工作者的青睐，在自然科学的其它领域也受到了极大的关 注。 纳米科学和技术是在纳米尺度上(0.1nm～100nm 之间)研究物质（包括原子、 分子）的特性和相互作用，并且利用这些特性的多学科的高科技。其最终目的是 直接以物质在纳米尺度上表现出来的特性，制造具有特定功能的产品，实现生产 方式的飞跃。纳米科学大体包括纳米电子学、纳米机械学、纳米材料学、纳米生 物学、纳米光学、纳米化学等领域。纳米科技是未来高科技的基础，而科学仪器 是科学研究中必不可少的实验手段。因此，纳米材料的分析和表征对纳米材料和 纳米科技发展具有重要的作用。 随着纳米科技的迅猛发展，纳米研究、纳米工程、纳米产品，其范围正在 扩大。虽然纳米科技主流技术全面进入产业化可能还需要相当长的时间，但是在 纳米材料等领域已经有一些技术正在进入产业化时代，特别是在一些传统产业的 改造和升级中，纳米科技已经发挥出了一些优势。纳米技术和纳米产品也在不断 地渗透进了我们生活的方方面面。各种产品的指标与计量、科研成果的测量与评 定、各学科和各领域的标准、测量仪器和测量方法等等都要与国际接轨，纳米计 量与测量技术已成为突出的重要的科学技术领域。 纳米技术与纳米材料是一个典型的新兴高技术领域，很多研究人员以及相 关产业的从业人员对纳米材料还不是很熟悉，尤其是对如何分析和表征纳米材 料，获得纳米材料的一些特征信息。为了方便纳米科技工作者的需要，本书对纳 米材料的一些常用分析和表征技术进行了归纳和总结。主要从纳米材料的成份分 析，形貌分析，粒度分析，结构分析以及表面界面分析等几个方面进行了简单的 介绍。并在书中，力图通过纳米材料的研究案例来说明这些现代技术和分析方法 在纳米材料表征上的具体应用。 第2 章 纳米材料的形貌分析 2.1 前言 2.1.1 形貌分析的重要性 材料的形貌尤其是纳米材料的形貌也是材料分析的重要组成部分，材料的很 多重要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 料颗粒大小还与材料的形貌有重要关系。如颗粒状纳米材料与纳米线和纳米管的 物理化学性能有很大的差异。因此，纳米材料的形貌分析，是纳米材料研究的重 要内容。形貌分析的主要内容是分析材料的几何形貌，材料的颗粒度，及颗粒度 的分布以及形貌微区的成份和物相结构等方面。 2.1.2 形貌分析的种类和适用范围 纳米材料常用的形貌分析方法主要有：扫描电子显微镜、透射电子显微镜、 扫描隧道显微镜和原子力显微镜。扫描电镜和透射电镜形貌分析不仅可以分析纳 米粉体材料还可以分析块体材料的形貌。其提供的信息主要有材料的几何形貌， 粉体的分散状态，纳米颗粒大小及分布以及特定形貌区域的元素组成和物相结 构。扫描电镜对样品的要求比较低，无论是粉体样品还是大块样品，均可以直接 进行形貌观察。扫描电镜分析可以提供从数纳米到毫米范围内的形貌像，观察视 野大，其分辩率一般为6 纳米，对于场发射扫描电子显微镜，其空间分辩率可以 达到0.5 纳米量级。透射电镜具有很高的空间分辩能力，特别适合纳米粉体材料 的分析。其特点是样品使用量少，不仅可以获得样品的形貌，颗粒大小，分布以 还可以获得特定区域的元素组成及物相结构信息。透射电镜比较适合纳米粉体样 品的形貌分析，但颗粒大小应小于300nm，否则电子束就不能透过了。对块体样 品的分析，透射电镜一般需要对样品进行减薄处理。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，但仅适合具有导 电性的薄膜材料的形貌分析和表面原子结构分布分析，对纳米粉体材料不能分 析。扫描原子力显微镜可以对纳米薄膜进行形貌分析，分辨率可以达到几十纳米， 比STM 差，但适合导体和非导体样品，不适合纳米粉体的形貌分析。总之，这 四种形貌分析方法各有特点，电镜分析具有更多的优势，但STM 和 AFM 具有 可以气氛下进行原位形貌分析的特点。 2.1.3 形貌分析的新进展 需要补充 2.2 电镜形貌分析基础 2.2.1 电子显微镜发展历史 电子显微镜的发展历史可概括如下。1924年得布罗意（de Broglie）提出 波粒二象性假说。1926年布什（Busch）发现了旋转对称，不均匀的磁场可以聚 焦电子束。1933年柏林大学的克诺尔(Knoll)和卢斯卡(Rus