成分分析

        成分分析按照分析對象和要求可以分為 微量樣品分析 和 痕量成分分析 兩種類型。按照分析的目的不同，又分為體相元素成分分析、表面成分分析和微區(qū)成分分析等方法。

        體相元素成分分析是指體相元素組成及其雜質(zhì)成分的分析，其方法包括原子吸收、原子發(fā)射ICP、質(zhì)譜以及X射線熒光與X射線衍射分析方法；其中前三種分析方法需要對樣品進(jìn)行溶解后再進(jìn)行測定，此屬于破壞性樣品分析方法；而X射線熒光與衍射分析方法可以直接對固體樣品進(jìn)行測定因此又稱為非破壞性元素分析方法。

        表面與微區(qū)成分分析
        X射線光電子能譜（X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS）；（10納米，表面）
        俄歇電子能譜（Auger electron spectroscopy，AES）；（6nm，表面）
        二次離子質(zhì)譜（Secondary Ion Mass Spectrometry, SIMS）；（微米，表面）
        電子探針分析方法；（0.5微米，體相）
        電鏡的能譜分析；（1微米，體相）
        電鏡的電子能量損失譜分析；（0.5nm）

        為達(dá)此目的，成分分析按照分析手段不同又分為光譜分析、質(zhì)譜分析和能譜分析。

        光譜分析

        主要包括火焰和電熱原子吸收光譜AAS， 電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜ICP-OES， X-射線熒光光譜XFS和X-射線衍射光譜分析法XRD；

        （1） 原子吸收光譜（Atomic Absorption Spectrometry, AAS） 又稱原子吸收分光光度分析。原子吸收光譜分析是基于試樣蒸氣相中被測元素的基態(tài)原子對由光源發(fā)出的該原子的特征性窄頻輻射產(chǎn)生共振吸收，其吸光度在一定范圍內(nèi)與蒸氣相中被測元素的基態(tài)原子濃度成正比，以此測定試樣中該元素含量的一種儀器分析方法。

        原子吸收分析特點：
        （a）根據(jù)蒸氣相中被測元素的基態(tài)原子對其原子共振輻射的吸收強度來測定試樣中被測元素的含量；
        （b）適合對納米材料中痕量金屬雜質(zhì)離子進(jìn)行定量測定，檢測限低 ，ng/cm3，10-10~10-14g；
        （c）測量準(zhǔn)確度很高，1%（3%~5%）；
        （d）選擇性好，不需要進(jìn)行;離檢測；
        （e）分析元素范圍廣，70多種； 應(yīng)該是缺點（不確定）：難熔性元素，稀土元素和非金屬元素，不能同時進(jìn)行多元素分析；

        （2） 電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜(Inductivelycoupledplasmaatomicemissionspectrometry, ICP-AES)。

        ICP是利用電感耦合等離子體作為激發(fā)源，根據(jù)處于激發(fā)態(tài)的待測元素原子回到基態(tài)時發(fā)射的特征譜線對待測元素進(jìn)行分析的方法；可進(jìn)行多元素同時分析，適合近70種元素的分析；很低的檢測限，一般可達(dá)到10-1～10-5μg/cm-3；穩(wěn)定性很好，準(zhǔn)確度很高，相對偏差在1%以內(nèi)，定量分析效果好；線性范圍可達(dá)4～6個數(shù)量級；但是對非金屬元素的檢測靈敏度低。

        （3）X-射線止夤餛?X-ray fluorescence spectrometry, XFS)是一種非破壞性的分析方法，可對固體樣品直接測定。在納米材料成分分析中具有較大的優(yōu)點；X射線熒光光譜儀有兩種基本類型波長色散型和能量色散型；具有較好的定性分析能力，可以分析原子序數(shù)大于3的所有元素。本低強度低，分析置舳雀擼浼觳庀藪锏?0-5～10-9g/g（或g/cm3）；可以測定幾個納米到幾十微米的薄膜厚度。

        （4） X-射線衍射光譜分析法（X-ray diffraction analysis，XRD）。

        質(zhì)譜分析

        主要包括電感耦合等離子體質(zhì)譜ICP-MS和飛行時間二次離子質(zhì)譜法TOF-SIMS

        （1） 電感耦合等離子體質(zhì)譜(inductively coupled plasma mass spectrometry, ICP-MS)ICP-MS是利用電感耦合等離子體作為離子源的一種元素質(zhì)譜分析方法；該離子源產(chǎn)生的樣品離子經(jīng)質(zhì)譜的質(zhì)量分析器和檢測器后得到質(zhì)譜；檢出限低（多數(shù)元素檢出限為ppb-ppt級）；線性范圍寬（可達(dá)7個數(shù)量級）；分析速度快（1分鐘可獲得70種元素的結(jié)果）；譜圖干擾少（原子量相差1可以分離），能進(jìn)行同位素分析。

        （2） 飛行時間二次離子質(zhì)譜法（Time of Flight Secondary Ion Mass Spectrometry, TOF-SIMS） 是通過用一次離子激發(fā)樣品表面，打出微量的二次離子，根據(jù)二次離子因不同的質(zhì)量而飛行到探測器的時間不同來測定離子質(zhì)量的很高分辨率的測量技術(shù)。

        工作原理：
        1.利用聚焦的一次離子束在樣品上進(jìn)行穩(wěn)定的轟擊，一次離子可能受到樣品表面的背散射（概率很小），也可能穿透固體樣品表面的一些原子層深入到一定深度，在穿透過程中發(fā)生一系列彈性和非彈性碰撞。一次離子將其部分能量傳遞給晶格原子，這些原子中有一部分向表面運動，并把能量傳遞給表面離子使之發(fā)射，這種過程成為粒子濺射。

        2.電離的二次粒子（濺射的原子、分子和原子團(tuán)等）按質(zhì)荷比實現(xiàn)質(zhì)譜分離；

        3.收集經(jīng)過質(zhì)譜分離的二次離子，可以得知樣品表面和本體的元素組成和分布。在分析過程中，質(zhì)量分析器不但可以提供對于每一時刻的新鮮表面的多元素分析數(shù)據(jù)。而且還可以提供表面某一元素分布的二次離子圖像。

        4. TOF（Time of Flight）的獨特之處在于其離子飛行時間只依賴于他們的質(zhì)量。由于其一次脈沖就可得到一個全譜，離子利用率較高，能較好地實現(xiàn)對樣品幾乎無損的靜態(tài)分析，而其更重要的特點是只要降低脈沖的重復(fù)頻率就可擴展質(zhì)量范圍，從原理上不受限制。

        能譜分析

        主要包括X射線光電子能譜XPS和俄歇電子能譜法AES

        （1）X射線光電子能譜(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS)

        X射線光電子能譜(XPS )就是用X射線照射樣品表面，使其原子或分子的電X受激而發(fā)射出來，測量這些光電子的能量分布，從而獲得所需的信息。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，XPS也在不斷完善，目前，已開發(fā)出的小面積X射線光電子能譜，大大提高了XPS的空間分辨能力。通過對樣品進(jìn)行全掃描，在一次測定中即可檢測出全部或大部分元素。因此，XPS已發(fā)展成為具有X面元素分析、化學(xué)態(tài)和能帶結(jié)構(gòu)分析以及微區(qū)化學(xué)態(tài)成像分析等功能強大的表面分析儀器。X射線光電子能譜的理論依據(jù)就是愛因斯坦的光電子發(fā)散公式。XPS作為研究材料表面和界面電子及原子結(jié)構(gòu)的重要手段之一，原則上可以測定元素周期表上除氫、氦以外的所有元素。其主要功能及X用有三方面:第一，可提供物質(zhì)表面幾個原子層的元素定性、定量信息和化學(xué)狀態(tài)信息；第二，可對非均相覆蓋層進(jìn)行深度分布分析，了解元素隨深度分布的情況；第三，可對元素及其化學(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。

        （2）俄歇電子能譜法（Auger electron spectroscopy，AES）

        俄歇電子能譜法是用具有一定能量的電子束(或X射線)激發(fā)樣品俄歇效應(yīng)，通過檢測俄歇電子的能量和強度，從而獲得有關(guān)材料表面化學(xué)成分s結(jié)構(gòu)的信息的方法。 利用受激原子俄歇躍遷退激過程發(fā)射的俄歇電子對試樣微區(qū)的表面成分進(jìn)行的定性定量分析。

        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。

        電鏡-能譜分析方法：利用電鏡的電子束與固體微區(qū)作用產(chǎn)生的X射線進(jìn)行能譜分析（EDAX）；與電子顯微鏡結(jié)合（SEM，TEM），可進(jìn)行微區(qū)成份分析；可進(jìn)行定性和定量分析。

        形貌分析

        形貌分析的主要內(nèi)容是分析材料的幾何形貌，材料的顆粒度，及顆粒度的分布以及形貌微區(qū)的成份和物相結(jié)構(gòu)等方面。

        形貌分析方法主要有：光學(xué)顯微鏡(Opticalmicroscopy,OM)、掃描電子顯微鏡(Scanningelectron microscopy, SEM)、透射電子顯微鏡(Transmission electron microscopy, TEM)、掃描隧道顯微鏡(Scanning tunneling microscopy, STM)和原子力顯微鏡(Atomic force microscopy, AFM)

        SEM
        掃描電鏡分析可以提供從數(shù)納米到毫米范圍內(nèi)的形貌像，觀察視野大，其分辯率一般為6納米，對于場發(fā)射掃描電子顯微鏡，其空間分辯率可以達(dá)到0.5納米量級。

        其提供的信息主要有材料的幾何形貌，粉體的分散狀態(tài)，納米顆粒大小及分布以及特定形貌區(qū)域的元素組成和物相結(jié)構(gòu)。掃描電鏡對樣品的要求比較低，無論是粉體樣品還是大塊樣品，均可以直接進(jìn)行形貌觀察。

        TEM
        透射電鏡具有很高的空間分辯能力，特別適合納米粉體材料的分析。

        其特點是樣品使用量少，不僅可以獲得樣品的形貌，顆粒大小n分布以還可以獲得特定區(qū)域的元素組成及物相結(jié)構(gòu)信息。

        透射電鏡比較適合納米粉體樣品的形貌分析，但顆粒大小應(yīng)小于300nm，否則電子束就不能透過了。對塊體樣品的分析，透射電鏡一般需要對樣品進(jìn)行減薄處理。

        透射電鏡可用于觀測微粒的尺寸、形態(tài)、粒徑大小、分布狀況、粒徑分布范圍等，并用統(tǒng)計平均方法計算粒徑，一般的電鏡觀察的是產(chǎn)物粒子的顆粒度而不是晶粒度。高分辨電子顯微鏡(HRTEM)可直接觀察微晶結(jié)構(gòu)，尤其是為界面原子結(jié)構(gòu)分析提供了有效手段，它可以觀察到微小顆粒的固體外觀，根據(jù)晶體形貌和相應(yīng)的衍射花樣、高分辨像可以研究晶體的生長方向。

        STM和AFM形貌分析
        掃描隧道顯咕擔(dān)⊿TM）主要針對一些特殊導(dǎo)電固體樣品的形貌分析。可以達(dá)到原子量級的分辨率，但僅適合具有導(dǎo)電性的薄膜材料的形貌分析和表面原子結(jié)構(gòu)分布分析，對納米粉體材料不能分析。

        掃描隧道顯微鏡有原子量級的高分辨率，其剮瀉痛怪庇詒礱娣較虻姆直媛史直鷂?.1 nm和0.01nm，即能夠分辨出單個原子，因此可直接觀察晶體表面的近原子像；其次是能得到表面的三維圖像，可用于測量具有周期性或不具備周期性的表面結(jié)構(gòu)。

        掃描原子力顯微鏡（AFM）可以對納米薄膜進(jìn)行形貌分析，分辨率可以達(dá)到幾十納米，比STM差，但適合導(dǎo)體和非導(dǎo)體樣品，不適合納米粉體的形貌分析。

        這四種形貌分析方法各有特點，電鏡分析具有更多的優(yōu)勢，但STM和AFM具有可以氣氛下進(jìn)行原位形貌分析的特點。

        常用的物相分析方法有X射線衍射分析、激光拉曼分析、傅里葉紅外分析以及微區(qū)電子衍射分析。

        X射線衍射分析
        XRD物相分析是基于多晶樣品對X射線的衍射效應(yīng)，對樣品中各組分的存在形態(tài)進(jìn)行分析。測定結(jié)晶情況，晶相，晶體結(jié)構(gòu)及成鍵狀態(tài)等等。 可以確定各種晶態(tài)組分的結(jié)構(gòu)和含量。

        靈敏度較低，一般只能測定樣品中含量在1%以上的物相，同時，定量測定的準(zhǔn)確度也不高，一般在1%的數(shù)量級。

        XRD物相分析所需樣品量大（0.1g），才能得到比較準(zhǔn)確的結(jié)果，對非晶樣品不能分析。

        X射線衍射分析主要用途有：XRD物相定性分析、物相定量分析、晶粒大小的測定、介孔結(jié)構(gòu)測定（小角X射線衍射）、多層膜分析（小角度XRD方法）、物質(zhì)狀態(tài)鑒別（區(qū)別晶態(tài)和非晶態(tài)）。

        拉曼分析
        當(dāng)一束激發(fā)光的光子與作為散射的分子發(fā)生相互作用時，大部分光子僅是改變了方向，發(fā)生散射，而光的頻率仍與激發(fā)光源一致，這中散射稱為瑞利散射。

        但也存在<微量的光子不僅改變了光的傳播方向，而且也改變了光波的頻率，這種散射稱為拉曼散射。其散射光的強度約占總散射光強度的10-6～10-10。

        拉曼散射的產(chǎn)生原因是光子與分子之間發(fā)生了能量交換，改變了光子的能量。

        在固體材料中拉曼激活的機制很多，反映的范圍也很廣：如分子振動，各種元激發(fā)（電子，聲子，等離子體等），雜質(zhì)，缺陷等。

        利用拉曼光譜可以對材料進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)分析、理化特性分析和定性鑒定等，可揭示材料中的空位、間隙原子、位錯、晶界和相界等方面信息。

        紅外分析(IR)
        紅外光譜主要用來檢測有機官能團(tuán)。

        傅里葉紅外光譜儀可檢驗金屬離子與非金屬離子成鍵、金屬離子的配位等化學(xué)環(huán)境情況及變化。

        微區(qū)電子衍射分析
        電子衍射與X射線一樣，也遵循布拉格方程，電子束很細(xì)，適合作微區(qū)分析，因此，主要用于確定物相以及它們與基體的取向關(guān)系以及材料中的結(jié)構(gòu)缺陷等。

        粒度分析
        一般固體材料顆粒大小可以用顆粒粒度概念來描述。但由于顆粒形狀的復(fù)雜性，一般很難直接用一個尺度來描述一個顆粒大小，因此，在粒度大小的描述過程中廣泛采用等效粒度的概念。

        對于不同原理的粒度分析儀器，;依據(jù)的測量原理不同，其顆粒特性也不相同，只能進(jìn)行等效對比，不能進(jìn)行橫向直接對比。

        1. 顯微鏡法(Microscopy)：SEM,TEM；1nm～5μm范圍；適合納米材料的粒度大小和形貌分析；
        優(yōu)點是可以提供顆粒大小，分布以及形狀的數(shù)據(jù)，此外，一般測量顆粒的大小可以從1納米到幾個微米數(shù)量級。并且給的是顆粒圖像的直觀數(shù)據(jù)，容易理解。
但其缺點是樣品制備過程會對結(jié)果產(chǎn)生嚴(yán)重影響，如樣品制備的分散性，直接會影響電鏡觀察質(zhì)量和分析結(jié)果。電鏡取樣量少，會產(chǎn)生取樣過程的非代表性。

       2.光散射法(Light Scattering)
        激光衍射式粒度儀僅對粒度在5μm以上的樣品分析較準(zhǔn)確，而動態(tài)光散射粒度儀則對粒度在5μｍ以下的納米樣品分析準(zhǔn)確。

        激光光散射法可以測量20nm－3500μm的粒度分布，獲得的是等效球體積分布，測量準(zhǔn)確，速度快，代表性強，重復(fù)性好，適合混合物料的測量。

        利用光子相干光譜方法可以測量1nm－3000nm范圍的粒度分布，特別適合超細(xì)納米材料的粒度分析研究。測量體積分布，準(zhǔn)確性高，一般只需1～1.5min；測量準(zhǔn)確,重現(xiàn)性好；可以獲得粒度分布。

         激光相干光譜粒度分析法：通過光子相關(guān)光譜（PCS）法，可以測量粒子的遷移速率。而液體中的納米顆粒以布朗運動為主，其運動速度取決于粒徑，溫度和粘度等因素。在恒定的溫度和粘度條件下，通過光子相關(guān)光譜（PCS）法測定顆粒的遷移速率就可以獲得相應(yīng)的顆粒粒度分布。  

        熱重分析

        熱分析常用的有示差掃描熱法(DifferentialScanningCalorimetry,DSC)和熱重法(Thermogravimetry, TG )，簡稱為DSC-TG法。

（資料來源于網(wǎng)絡(luò)-測了么）