納米材料的分析技術第三講主要技術3.掃描電子顯微鏡SEM4.透射電子顯微TEM1.原子力顯微鏡AFM5.X射線粉末分析XRD6.其他分析方法2.隧道掃描顯微鏡STM1、原子力顯微鏡AFM原子力顯微鏡(AtomicForceMicroscopy,AFM)是由IBM公司的Binnig與史丹佛大學的Quate

于一九八五年所發(fā)明的，其目的是為了使非導體也可以采用掃描探針顯微鏡（SPM）進行觀測。1、原子力顯微鏡AFM原子力顯微鏡是利用微小探針與待測物之間交互作用力，來呈現(xiàn)待測物的表面之物理特性。所以在原子力顯微鏡中也利用斥力與吸引力的方式發(fā)展出兩種操作模式：

（1）利用原子斥力的變化而產生表面輪廓為接觸式原子力顯微鏡（contactAFM

），探針與試片的距離約數(shù)個?。

（2）利用原子吸引力的變化而產生表面輪廓為非接觸式原子力顯微鏡（non-contactAFM

），探針與試片的距離約數(shù)十個?到數(shù)百個?。原子力顯微鏡AFM成像原理01圖1.激光檢測原子力顯微鏡原理示意圖圖2.激光檢測原子力顯微鏡工作示意圖在原子力顯微鏡（AtomicForceMicroscopy，AFM）的系統(tǒng)中，可分成三個部分：力檢測部分、位置檢測部分、反饋系統(tǒng)。原子力顯微鏡AFM的硬件構成03圖3.激光檢測原子力顯微鏡探針工作示意圖

原子力顯微鏡AFM的硬件構成04

圖4.圖AFM頭及其主要配件

(1-激光器；2-反射鏡；3-微懸臂；

4-傾斜反光鏡；5-光電檢測器)原子力顯微鏡AFM的硬件構成05圖5.AFM的探頭原子力顯微鏡AFM-實例-01原子力顯微鏡（AFM）觀察Ni(OH)2膜材料的表面特點原子力顯微鏡AFM-實例02原子力顯微鏡（AFM）觀察Ni(OH)2+Zn(OH)2膜材料的表面特點。原子力顯微鏡AFM-實例-02原子力顯微鏡AFM-實例03普通名片紙AFM原子力顯微鏡AFM-實例-02原子力顯微鏡AFM-實例04照片質量紙AFM原子力顯微鏡AFM-實例-02原子力顯微鏡AFM-實例05陶瓷膜表面形貌的AFM三維圖象原子力顯微鏡AFM-實例06陶瓷膜表面形貌的AFM三維圖象2、ScanningTunnelingMicroscope

(掃描隧道電鏡SEM)掃描隧道顯微鏡(STM)實物：

掃描隧道電鏡STM用途及特點1、掃描隧道顯微鏡(STM)的分辨非常高，大大優(yōu)于一般電子顯微鏡，其橫向(表面)及縱向(深度)分辨率可以達到0.1nm一0.01nm，而一般的電子顯微鏡僅能達到幾十納米的分辨率，一般原子的大小為0.1nm，所以用掃描隧道顯微鏡可以直接“看到”原子的大小，而其他顯微鏡無法做到.

STM的特點：

掃描隧道顯微鏡（STM）主要用于觀察材料的表面特點、外觀形態(tài)、聚集狀態(tài)、顆粒粒徑等（統(tǒng)計）特征,進行原子操作。STM的用途：

掃描隧道電鏡STM（01）2、掃描隧道顯微鏡對工作的環(huán)境和使用條件的要求不高，它既可以在真空中，也可以在大氣中工作;工作環(huán)境可以是常溫，也可以是低溫;甚至可以把樣品浸泡在各種液體介質，如：水、電解液或者液氮當中，這就大大拓寬了掃描隧道顯微鏡的使用范圍，許多只能在溶液中保持活性的生物樣品，只有采用掃描隧道顯微鏡才能夠做出最接近自然狀態(tài)的觀察.

掃描隧道顯微鏡(STM)的特點2掃描隧道電鏡STM（02）3、掃描隧道顯微鏡的針尖還可以用來移動和操縱單個的原子和分子，這是其他任何類型的顯微鏡都做不到的.所以掃描隧道顯微鏡也是納米科學技術研究的重要工具，1993年，中科院北京真空物理實驗室的科學家們就利用掃描隧道顯微鏡操縱硅晶體表面的原子，在200nm×200nm的尺度上成功地寫出了“中國”兩字(如圖所示)，其中筆畫的線條寬度僅為10nm.

掃描隧道顯微鏡(STM)的特點3掃描隧道電鏡SEM掃描隧道顯微鏡照片：

此影像是取於當鈷原子被拖曳過一個緊密堆積的銅原子晶格表面。大而圓的部分是鈷原子和銅結合在其所偏愛的最低位能的結合位址。較亮的三角形區(qū)域乃是鈷原子和銅結合在較高位能的位置。較暗黑的區(qū)域是鈷原子會跳過，而完全拒絕去結合。掃描隧道電鏡SEM掃描隧道顯微鏡照片：

美國國家標準和科技中心(NIST)

用鈷原子在一個銅的表面上製造出來的一個40nm寬的NIST的標誌。背景中的波紋是用電子製造出來的，

這些電子可以在銅的表面製造出一個類似流體的層面。

掃描隧道電鏡STM（03）用掃描隧道顯微鏡在高定向裂解石墨表面上刻寫的漢字”原子”\“中國”

，其中筆畫的線條寬度為10nm。如果用這樣大小的漢字來書寫《紅樓夢》一書，只需大頭針針頭那樣小的面積，就可寫進全書的內容。

用掃描隧道顯微鏡畫出來的中國地圖其比例尺為l∶1013。這是目前世界上最小的中國地圖。3、ScanningElectronMicroscope

(掃描電鏡SEM)掃描電子顯微鏡（SEM）主要用于觀察材料的表面特點、外觀形態(tài)、聚集狀態(tài)、顆粒粒徑等（統(tǒng)計）特征。待分析樣品的制備（準備）：

1）塊體、粉體可直接觀察；

2）納米粉體的聚合體可先超聲波分散處理（以酒精或水為介質），然后將分散好的渾濁液滴在物臺或濾紙上干燥。3、ScanningElectronMicroscope

(掃描電鏡SEM)掃描電顯鏡SEM實物(掃描電鏡SEM)實例1掃描電子顯微鏡（SEM）觀察纖維電極材料的表面特點(掃描電鏡SEM)實例3(SEM—透射電鏡TEM)實例14.透射電鏡TEM透射電鏡TEM實物(透射電鏡TEM)實例2投射電子顯微鏡（TEM）主要用于觀察材料的結構特點、外觀形態(tài)、聚集狀態(tài)（團聚）、顆粒粒徑等特征。待分析樣品的制備（準備）：

因為塊體、粉體可不可以直接觀察；

納米粉體的聚合體可先超聲波分散處理（以酒精或水為介質），然后將濃度適當?shù)姆稚⒑玫臏啙嵋旱?，附著在銅網(wǎng)上（樣品架，照片實例中可見）直接觀察。(透射電鏡TEM)實例2(透射電鏡TEM)實例3(透射電鏡TEM)實例4(透射電鏡TEM)實例5NickelHydroxideNanoribbons(透射電鏡TEM)實例6NickelHydroxideNanoribbons(透射電鏡TEM)實例7NickelHydroxideNanoparticles(透射電鏡TEM)實例7納米α-Fe2O3樣品的TEM照片5、X-射線衍射分析(XRD)物相分析定性分析定量分析單一物相的鑒定或驗證混合物相的鑒定晶體結構分析點陣常數(shù)（晶胞參數(shù)）測定晶體對稱性（空間群）的測定等效點系的測定晶體定向晶粒度測定宏觀應力分析5、X-射線衍射分析(XRD)確定物質（材料）由哪些相組成（即物相定性分析或稱物相鑒定）確定各組成相的含量（常以體積分數(shù)或質量分數(shù)表示，即物相定量分析）。(1)物相分析(2)PDF標準卡5、X-射線衍射分析(XRD)1969年成立了國際性組織“粉末衍射標準聯(lián)合會(JCPDS)”，由它負責編輯出版“粉末衍射卡片”，稱PDF卡片。2、PDF標準卡5、X-射線衍射分析(XRD)(3)XRD分析的基本步驟5、X-射線衍射分析(XRD)（1）樣品準備(塊體、粉末)；（2）XRD分析獲得樣品XRD圖；（3）檢索PDF(或JCPDS)卡；（4）核對PDF卡與物相判定；（5）對XRD結果進行分析(樣品特點)。(4)XRD分析儀器5、X-射線衍射分析(XRD)XRD分析儀實物(5)XRD圖譜實例5、X-射線衍射分析(XRD)實例1方鈰礦XRD圖(5)XRD圖譜實例5、X-射線衍射分析(XRD)實例2Ag的XRD圖(5)XRD圖譜實例5、X-射線衍射分析(XRD)實例3TiO2-ZrO2的XRD圖(5)XRD圖譜實例5、X-射線衍射分析(XRD)實例4(111)(200)納米金屬Ni的XRD圖(5)XRD圖譜實例5、X-射線衍射分析(XRD)實例5(5)XRD圖譜實例5、X-射線衍射分析(XRD)實例6(5)XRD圖譜實例5、X-射線衍射分析(XRD)實例7納米α-Ni(OH)2和β-Ni(OH)2的XRD5、X-射線衍射分析(XRD)實例86、其它分析方法Smallanglex-rayscattering

小角X射線散射(SAXS)Surfaceextendedx-rayadsorptionfinestructure

表面擴展X射線吸收精細結構(SEXAFS)Near-edgex-rayadsorptionfinestructure

近邊X射線吸收精細結構(NEXAFS)Surfaceenhancedramanspectroscopy

表面增強拉曼光譜(SERS)x-rayphotoelectronsp