表征納米材料的技術(shù)有哪些，各自有什么特點(diǎn)？

對(duì)納米材料的表征分成好幾個(gè)方面，包括對(duì)其結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行表征。而且，除了對(duì)納米材料的集體行為和性能進(jìn)行測(cè)量外，在介觀水平上觀察，測(cè)試和操縱納米尺度材料也是必需的。

在納米材料的結(jié)構(gòu)表征方面，主要有一下這些方法：

（1）X射線衍射（XRD）XRD 物相分析是基于多晶樣品對(duì) X 射線的衍射效應(yīng)，對(duì)樣品中各組分的存在形態(tài)進(jìn)行分析測(cè)定的方法。測(cè)定的內(nèi)容包括各組分的結(jié)晶情況，所屬的晶相，晶體的結(jié)構(gòu)，各種元素在晶體中的價(jià)態(tài)，成鍵狀態(tài)等等。物相分析與一般的元素分析有所不同，它在測(cè)定了各種元素在樣品中的含量的基礎(chǔ)上，還要進(jìn)一步確定各種晶態(tài)組分的結(jié)構(gòu)和含量。當(dāng)然，XRD 物相分析也有其不足之處，首先是靈敏度較 低，一般只能測(cè)定樣品中含量在 1%以上的物相，同時(shí)，定量測(cè)定的準(zhǔn)確度也不高，一 般在 1%的數(shù)量級(jí)。另外，進(jìn)行 XRD 物相分析所需要的樣品量較大，一般需要幾十至幾 百毫克的樣品，才能得到比較準(zhǔn)確的結(jié)果。當(dāng)然，由于非晶態(tài)的樣品不會(huì)對(duì) X 射線產(chǎn)生 衍射，所以一般不能用此法對(duì)非晶樣品進(jìn)行分析。

（2）小角度X射線散射（SAXS）X射線小角散射系發(fā)生于原光束附近0～幾度范圍內(nèi)的相干散射現(xiàn)象，物質(zhì)內(nèi)部1至數(shù)百納米尺度的電子密度的起伏是產(chǎn)生這種散射效應(yīng)的根本原因。因此SAXS技術(shù)可以用來表征物質(zhì)的長(zhǎng)周期、準(zhǔn)周期結(jié)構(gòu)以及呈無規(guī)分布的納米體系。廣泛地用于1～300nm范圍內(nèi)的各種金屬和非金屬粉末粒度分布的測(cè)定，也可用于膠體溶液、磁性液體、病毒、生物大分子以及各種材料中所形成的納米級(jí)微孔、GP區(qū)和沉淀析出相尺寸分布的測(cè)定。SAXS的結(jié)果所反映的為一次顆粒的尺寸：所謂一次顆粒，即原顆粒，可以相互分離而獨(dú)立存在的顆粒。很多顆粒粘附在一起形成團(tuán)粒，這在納米粉末中是相當(dāng)常見的。如不能將其中的顆粒有效地分散開來，它們將會(huì)作為一個(gè)整體而沉降、遮擋和散射可見光，其測(cè)試結(jié)果勢(shì)必為團(tuán)粒尺寸的反映。而SAXS測(cè)試結(jié)果所反映的既非晶粒亦非團(tuán)粒而是一次顆粒的尺寸。測(cè)試結(jié)果的統(tǒng)計(jì)代表性：檢測(cè)結(jié)果是否具有代表性，當(dāng)取樣合理時(shí)，主要是看測(cè)量信息來源于多少個(gè)顆粒。對(duì)小角散射而言就是要看測(cè)量時(shí)X射線大約照射上多少顆粒，根據(jù)上述參數(shù)可以算出X射線輻照體積內(nèi)的顆粒數(shù)近似為1.8×10的10次方個(gè)。因此，我們可以認(rèn)為一般小角散射信息來自10的9次方～10的11次方個(gè)顆粒，這也就保證其結(jié)果的統(tǒng)計(jì)代表性。該方法的缺點(diǎn)是設(shè)備比較昂貴，數(shù)據(jù)解析比較復(fù)雜。

（3）掃描電子顯微鏡（SEM）掃描電子顯微鏡是一種利用電子束掃描樣品表面從而獲得樣品信息的電子顯微鏡。它能產(chǎn)生樣品表面的高分辨率圖像，且圖像呈三維，掃描電子顯微鏡能被用來鑒定樣品的表面結(jié)構(gòu)。SEM的分辨率接近幾個(gè)納米，儀器的放大倍數(shù)可以輕易地在10-300000范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整。它不僅產(chǎn)生光學(xué)顯微鏡那樣的拓?fù)湫畔?，也能夠提供表面附近的化學(xué)成分和分布的詳細(xì)信息。

（4）透射電子顯微鏡（TEM）透射電子顯微鏡是把經(jīng)加速和聚集的電子束投射到非常薄的樣品上，電子與樣品中的原子碰撞而改變方向，從而產(chǎn)生立體角散射。散射角的大小與樣品的密度、厚度相關(guān)，因此可以形成明暗不同的影像，影像將在放大、聚焦后在成像器件（如熒光屏、膠片、以及感光耦合組件）上顯示出來。 由于電子的德布羅意波長(zhǎng)非常短，透射電子顯微鏡的分辨率比光學(xué)顯微鏡高的很多，可以達(dá)到0.1～0.2nm，放大倍數(shù)為幾萬～百萬倍。因此，使用透射電子顯微鏡可以用于觀察樣品的精細(xì)結(jié)構(gòu)，甚至可以用于觀察僅僅一列原子的結(jié)構(gòu)，比光學(xué)顯微鏡所能夠觀察到的最小的結(jié)構(gòu)小數(shù)萬倍。TEM在中和物理學(xué)和生物學(xué)相關(guān)的許多科學(xué)領(lǐng)域都是重要的分析方法，如癌癥研究、病毒學(xué)、材料科學(xué)、以及納米技術(shù)、半導(dǎo)體研究等等。在放大倍數(shù)較低的時(shí)候，TEM成像的對(duì)比度主要是由于材料不同的厚度和成分造成對(duì)電子的吸收不同而造成的。而當(dāng)放大率倍數(shù)較高的時(shí)候，復(fù)雜的波動(dòng)作用會(huì)造成成像的亮度的不同，因此需要專業(yè)知識(shí)來對(duì)所得到的像進(jìn)行分析。通過使用TEM不同的模式，可以通過物質(zhì)的化學(xué)特性、晶體方向、電子結(jié)構(gòu)、樣品造成的電子相移以及通常的對(duì)電子吸收對(duì)樣品成像。

（5）掃描探針顯微鏡 （SPM）掃描探針顯微鏡是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一種新型顯微表面研究新技術(shù),其核心思想是利用探針尖端與物質(zhì)表面原子間的不同種類的局域相互作用來測(cè)量表面原子結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)。SPM是一系列基于探針對(duì)被測(cè)樣品進(jìn)行掃描成像的顯微鏡的總稱, 包括一系列工作原理相似的可以使物質(zhì)成亞納米量級(jí)像的新型顯微技術(shù),如掃描隧道顯微鏡 (STM)、原子力顯微鏡(AFM)、近場(chǎng)掃描光學(xué)顯微鏡(NSOM)等。由于SPM基本的操作原理可以在納米尺寸范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量、分析以及定量地研究物質(zhì)性質(zhì),這些數(shù)據(jù)反映了局部甚至單個(gè)原子或分子的性質(zhì),對(duì)納米材料提供了新的結(jié)構(gòu)信息.

（6）氣體吸附無論納米材料的化學(xué)成分和晶體結(jié)構(gòu)如何，都可以利用物理、化學(xué)吸附等溫線來確定顆粒表面積和特征尺寸以及孔結(jié)構(gòu)。當(dāng)氣態(tài)物質(zhì)接觸到固態(tài)表面時(shí)，在適當(dāng)?shù)臏囟群蛪毫ο?，氣體分子將吸附到表面以減小表面原子的不平衡吸引力，這樣可以減少表面能。吸附既可以是物理的，也可以是化學(xué)的。物理吸附氣體可以通過減小分壓的方式從固態(tài)表面上輕易去除，而化學(xué)吸附氣體較難去除，除非加熱到較高的溫度。

在表征納米材料的化學(xué)性質(zhì)方面，有下面幾種方法：

（1）光譜光譜廣泛用于表征納米材料。這種技術(shù)通常可以劃分為兩大類：吸收與發(fā)射譜，以及振動(dòng)譜。前者通過從基態(tài)到激發(fā)態(tài)（吸收），在退激到基態(tài)（發(fā)射）的激發(fā)電子，確定原子，離子，分子或晶體的電子結(jié)構(gòu)。這其中包括了紫外－可見光譜，熒光光譜，以及紅外，拉曼光譜等。其中紅外光譜能夠確定樣品中化學(xué)鍵的特性，周圍環(huán)境或原子排列和濃度。而拉曼光譜更多地用作結(jié)構(gòu)表征而不是化學(xué)分析。

（2）電子譜X射線光電子譜(XPS )是一種表面分析方法，提供的是樣品表面的元素含量與形態(tài)，而不是樣品整體的成分。其信息深度約為原則上可以測(cè)定元素周期表上除氫、氦以外的所有元素。其主要功能繼應(yīng)用有三方面: 第一，可提供物質(zhì)表面幾個(gè)原子層的元素定性、定量信息和化學(xué)狀態(tài)信息; 第二，可對(duì)非均相覆蓋層進(jìn)行深度分布分析；第三，可對(duì)元素及其化學(xué)態(tài)進(jìn)行成像，給出不同化學(xué)態(tài)的不同元素在表面的分布圖像等。俄歇電子能譜法（AES）以表面元素定性分析、定量分析、表面化學(xué)結(jié)構(gòu)分析等基本應(yīng)用為基礎(chǔ)，可以廣泛應(yīng)用于表面科學(xué)與工程領(lǐng)域的分析、研究工作。俄歇能譜儀與低能電子衍射儀聯(lián)用，可進(jìn)行試樣表面成分和晶體結(jié)構(gòu)分析，因此被稱為表面探針。能量彌散X射線（EDX）技術(shù)用來對(duì)材料微區(qū)成分元素種類與含量分析，配合掃描電子顯微鏡與透射電子顯微鏡的使用。EDX的分析結(jié)果里面會(huì)有原子比和元素比 （也就是質(zhì)量比）的數(shù)據(jù)，值得提醒的是，EDX分析并沒有那么精確，所以盡管分析報(bào)告的結(jié)果會(huì)有兩位小數(shù)，但只取一位小數(shù)就夠了。

（3）離子譜這包括盧瑟福背散射譜（RBS）和二次離子質(zhì)譜（SIMS）。前者是常用的薄膜表征技術(shù)，基于利用低質(zhì)量，極高能量的離子束和重的靶原子核的碰撞。這種碰撞為彈性碰撞，對(duì)靶原子的電子組態(tài)和化學(xué)鍵不敏感，但是可以同時(shí)獲得有關(guān)存在元素屬性，它們的濃度和深度分布的信息。而且，RBS具備在原子百分比范圍內(nèi)的定量精度，而無須利用成分標(biāo)準(zhǔn)。二次離子質(zhì)譜能夠探測(cè)固態(tài)中非常低的濃度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了任何已知的分析技術(shù)。在SIMS中，離子源轟擊表面，從最外表面濺射出大部分中性原子，也包括正或負(fù)的離子。在氣相中，對(duì)離子作質(zhì)量分析以鑒別存在物質(zhì)以及確定它們的豐度。SIMS可以進(jìn)一步劃分為靜態(tài)SIMS和動(dòng)態(tài)SIMS。靜態(tài)SIMS需要離子適度轟擊表面之前的相關(guān)數(shù)據(jù)，很適合于表面分析。動(dòng)態(tài)SIMS是在高濺射速率下操作，因而可作深度剖面分析。

以上是表征納米材料的常見方法，檢測(cè)項(xiàng)目