第2章纳米材料的形貌分析2.1前言2.1.1形貌分析-北京电子能谱中心.PDF

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(Ruska)研制出第一台电 镜（点分辨率达到50nm）。1939年德国西门子公司生产出第一批商用透射电镜 （点分辨率10nm）。1950 年开始生产高压电镜（点分辨率优于0.3nm，晶格条 纹分辨率由于0.14nm ）。1956 年门特(Menter)发明了多束电子成像方法，开创了 高分辨电子显微术。 电子显微镜的诞生，首先在医学生物上得到应用，随后用于金属材料研究。 1949 年海登莱西（Heidenreich）第一个用透射电镜观察了用电解减薄的铝试样； 50 年代开始，电镜直接观察到位错层错等以前只能在理论上描述的物理现象； 1970 年日本学者首次用透射电镜直接观察到重金属金的原子近程有序排列，实 现了人类两千年来直接观察原子的夙愿。近年随着纳米材料的发展，利用电镜进 行纳米材料的形貌分析已经是电镜的主要分析工作了。 2.2.2 电子显微镜的基础知识 1. 显微镜分辨率的限制 任何显微镜的用途都是将物体放大，使物体上的细微部分清晰地显示出来， 帮助人们观察用肉眼直接看不见的东西。假如物体上两个相隔一定距离的点，利 用显微镜把他们区分开来，这个距离的最小极限，既可以分辨的两个点的最短距 离称为显微镜的分辨率，或称分辨本领。人的眼睛的分辨本领为0.5mm左右。一 个物体上的两个相邻点能被显微镜分辨清晰，主要依靠显微镜的物镜。假如在物 镜形成的像中，这两点未被分开的话，则无论利用多大倍数的投影镜或目镜，也 不能再把它们分开。 显微镜的分辩本领，可以用下面的公式来表达：d＝0.61×λ/（nsinα）， 由此可见显微镜的分辩本领与光的波长成正比。当光的波长越长，其分辨率越低。 只有采用比较短的波长的光线，才能获得较高的放大倍数。比可见光波长更短的 波有紫外线，X射线以及电子波。我们知道，在光学显微镜中，虽然可以通过透 镜对图像进行无限止的放大，但在实际情况中，其放大倍数是受到限制的。这说 明，显微镜的分辨率取决于可见光的波长，而可见光的波长范围为390-760nm， 故而光学显微镜的分