顆粒形貌結構分析方法

① 目前常採的粒度分析方法有哪些

測粒度分布的有：篩分法、沉降法、激光法、電感法(庫爾特)。
測比表面積的有：空氣透過法（沒淘汰）、氣體吸附法。
直觀的有：(電子)顯微鏡法、全息照相法。

顯微鏡法(Micros)
SEM、TEM；1nm～5μm范圍。
適合納米材料的粒度大小和形貌分析。

沉降法(Sedimentation Size Analysis) 沉降法的原理是基於顆粒在懸浮體系時，顆粒本身重力(或所受離心力)、所受浮力和黏滯阻力三者平衡，並且黏滯力服從斯托克斯定律來實施測定的，此時顆粒在懸浮體系中以恆定速度沉降，且沉降速度與粒度大小的平方成正比。10nm～20μm的顆粒。

光散射法(Light Scattering)
激光衍射式粒度儀僅對粒度在5μm以上的樣品分析較准確，而動態光散射粒度儀則對粒度在5μm以下的納米樣品分析准確。

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，測量准確，速度快，代表性強，重復性好，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，特別適合超細納米材料的粒度分析研究。測量體積分布，准確性高，測量速度快，動態范圍寬，可以研究分散體系的穩定性。其缺點是不適用於粒度分布寬的樣品測定。
光散射粒度測試方法的特點
測量范圍廣,現在最先進的激光光散射粒度測試儀可以測量1nm～3000μm,基本滿足了超細粉體技術的要
光散射力度測試遠離示意圖
求。
測定速度快,自動化程度高,操作簡單。一般只需1~1.5min。
測量准確,重現性好。
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，其運動速度取決於粒徑，溫度和粘度等因素。在恆定的溫度和粘度條件下，通過光子相關光譜（PCS）法測定顆粒的遷移速率就可以獲得相應的顆粒粒度分布。
光子相關光譜(pcs)技術能夠測量粒度度為納米量級的懸浮物粒子,它在納米材料，生物工程、葯物學以及微生物領域有廣泛的應用前景。

優點是可以提供顆粒大小，分布以及形狀的數據。此外，一般測量顆粒的大小可以從1納米到幾個微米數量級。
並且給的是顆粒圖像的直觀數據，容易理解。但其缺點是樣品制備過程會對結果產生嚴重影響，如樣品制備的分散性，直接會影響電鏡觀察質量和分析結果。電鏡取樣量少，會產生取樣過程的非代表性。
適合電鏡法粒度分析的儀器主要有掃描電鏡和透射電鏡。普通掃描電鏡的顆粒解析度一般在6nm左右，場發射掃描電鏡的解析度可以達到0.5nm。
掃描電鏡對納米粉體樣品可以進行溶液分散法制樣，也可以直接進行乾粉制樣。對樣品制備的要求比較低，但由於電鏡對樣品有求有一定的導電性能，因此，對於非導電性樣品需要進行表面蒸鍍導電層如表面蒸金，蒸碳等。一般顆粒在10納米以下的樣品比較不能蒸金，因為金顆粒的大小在8納米左右，會產生干擾的，應採取蒸碳方式。
掃描電鏡有很大的掃描范圍，原則上從1nm到mm量級均可以用掃描電鏡進行粒度分析。而對於透射電鏡，由於需要電子束透過樣品，因此，適用的粒度分析范圍在1-300nm之間。
對於電鏡法粒度分析還可以和電鏡的其他技術連用，可以實現對顆粒成份和晶體結構的測定，這是其他粒度分析法不能實現的。

② 請專家幫忙翻譯一下，謝謝！

Size advantages and disadvantages compared with the detection method
Powder size distribution measurement methods after more than 100 years of development, at least according to the Census and Statistics has developed more than 100 species, but with the development of science and technology, some methods to be phased out, some methods have been improved and development (such as laser scattering, dynamic Light scattering, etc.), and proction, scientific research has been widely used, now commonly used measurement methods screening method, micro-imaging method, light through the settlement method, laser light scattering (diffraction) and so few, the following simple Introction of several commonly used measurement of particle size.
▲Screening Method
Is a long history of the determination of particle size, screen size measurement method is to use a different standard sieve size screen to screen for powder, and then each of the samples were screened for weight and then get Dimensional quality of the particle size distribution data, and the results calculated by the distribution of such Dv50 and other parameters. Ao to screen measurement is characterized by low-cost and easy to operate, but there is a difference, such as repetitive, surveying a long time, not less 5um particles measured, and other shortcomings.
▲Micro-image analysis
The use of optical or electron micros and computer image recognition technology for particle size and size distribution, particle shape measurement, analysis. This approach not only to measure particle size distribution and be able to directly observe the shape of particles, is the only visual of a visual test, which is also characteristic of other particle size measuring instruments are not available. This approach has the advantage of an intuitive, simple, low cost, e to the shortcomings of the small amount of sampling, in order to make the results representative, the need to increase the number of particles under test (measuring particles is generally believed that the number should be 1,000 or more) This has been stingy corresponding measurements, and test the strength of the staff, but to be able to shape particles (such as aspect ratio, etc.) to measure, there is also widely used.
▲Light through sedimentation
Settlement Act size of the test theory is based on Stockton Secretary Beer's law and the law. The former are given particle size and velocity relationship, which stated size and weight of light transmission. Can be simply described as: settlement in the fluid, the same proportion of the number of particles, the same time, begin to decline from the same location, different diameter of the particles reach the area of measuring time is different, according to the measurement of particles to reach the area, And the strength of the light, we can calculate the size of the particles, and the corresponding size of the particles in particle occupies a group of proportion. The principle of measuring the use of such devices have a longer history of use, but with the technology and means of measuring progress and the shortcomings of this method has become more prominent, such as the measurement for a long time and repeatability error, and so large.
▲Laser Scattering
Particle measuring instruments is rich and the Philippine Long diffraction (Fraunhofer diffraction) and Mie scattering (Mie scattering) as a theoretical basis. This simple theory can be understood as a straight line along the transmission of parallel laser beams, in the dissemination of particles encountered in the block, changed the direction of the spread (that is, the occurrence of the phenomenon of diffraction and scattering), and large particles so that the laser to change the perspective of small, Small particles big change. (In fact e to the particles block the view of the infinite distance in the formation of a Airy, Airy 87% of the energy-concentrated in the center ring, and the larger the diameter of particles, the smaller the center ring, the smaller the particle diameter center-ring The greater). If you can receive a different perspective on energy, corresponding to the point of view, corresponding to the diameter of its light energy is a collection of particles occurred diffraction (scattering) caused by, and other relevant point of view of the light energy is strong or weak response corresponds to the diameter of particles in the The entire collection of particles in the proportion of possession.
▲Laser particle size measuring instruments relative to the size of settlement through optical measuring instruments have many advantages:
1.Principles of-the-art, and because there is no need to test the process of pre-determined parameters (for example, the proportion of samples, medium viscosity, temperature, etc.), and in the process of measuring changes in the conditions at any time, the measurements accurate and reliable.
2.Measuring speed test of time has nothing to do with the size distribution of samples, typical testing process in general less than a minute;
3.Each test, a number of samples to be scanned, reprocible results;
4.The type of sampling methods, applicable to various types of samples.

③ 對材料進行組織形貌分析有哪些方法

對材料進行組織形貌分析的方法有：光學顯微鏡（OM）、掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、掃描隧道顯微鏡（STM）。材料的形貌是材料分析的重要組成部分，材料的很多物理化學性能是由其形貌特徵所決定的。
顯微鏡是由一個透鏡或幾個透鏡的組合構成的一種光學儀器，是人類進入原子時代的標志。主要用於放大微小物體成為人的肉眼所能看到的儀器。顯微鏡分光學顯微鏡和電子顯微鏡：光學顯微鏡是在1590年由荷蘭的詹森所首創。現在的光學顯微鏡可把物體放大1600倍，分辨的最小極限達波長的1/2，國內顯微鏡機械筒長度一般是160毫米。其中對顯微鏡研製，微生物學有巨大貢獻的人為列文虎克，荷蘭籍人。

④ 材料表徵方法有哪些

材料的表徵方法有納米粒子的XRD表徵、納米粒子透射電子顯微鏡及光譜分析、納米粒子的掃描透射電子顯微術、納米團簇的掃描探針顯微術、納米材料光譜學和自組裝納米結構材料的核磁共振表徵。

常用材料表徵手段

1. 微觀形貌

形貌分析的主要內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的成分和物相結構等方面。

形貌分析方法主要有：掃描電子顯微鏡 SEM、透射電子顯微鏡 TEM、原子力顯微鏡等等。

如下圖所示

3. 成分分析

體相元素成分分析是指體相元素組成及其雜質成分的分析，其方法包括原子吸收、原子發射ICP、質譜以及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行溶解後再進行測定，因此屬於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行測定因此又稱為非破壞性元素分析方法。

⑤ （三）顆粒的組構方式

組構是指沉積岩中顆粒的排列方式、充填方式以及顆粒之間的接觸關系（圖3-3），是沉積物結構的一個重要方面。主要包括3種類型：

圖3-3 顆粒的組構，示顆粒填集、接觸、定向蔽悔知性及顆粒-雜基之間的關系

（據Tucker，1991）

1.定向結構

定向結構是指由沉積作用造成的砂和礫石在同一方向沿長軸方向定向排列的一種組構。如水流作用造成沉積礫石呈疊瓦狀相互疊置，並向上遊方向傾斜，因此，可據此判斷古流向。

2.顆粒的膠結類型和支撐性質

在碎屑岩中，膠結物或填隙物的分布狀況及其與碎屑顆粒的接觸關系稱為膠結類型。

決定碎屑岩膠結類型的因素，一是碎屑顆粒與膠結物或填隙物的相對數量，二是碎屑顆粒之間的接觸關系。據此，可將膠結類型劃分為以下幾種（圖3-4）。

圖3-4 顆粒接觸類型與膠結類型的關系

（據劉寶珺等，1980）

（1）基底膠結與雜基支撐：填隙物含量較多，碎屑顆粒在其中互不接觸呈漂浮狀，填隙物主要為原雜基（或由之轉變成的正雜基），這種膠結類型一般代表著高密度流快速堆積的特徵。由基底式膠結形成的結構稱為雜基支撐結構，形成於沉積同生期，前搏受壓實作用較弱。

（2）孔隙膠結與顆粒支撐：岩石中膠結物含量少，碎屑顆粒之間多呈點接觸，顆粒間成支架狀，稱為顆粒支撐結構。膠結物只充填在碎屑顆粒之間的孔隙中，多為成岩期或後生期的化學沉澱產物。

（3）接觸膠結與顆粒支撐：顆粒之間呈點接觸或線接觸，膠結物含量很少，分布於碎屑顆粒相互接觸的地方，亦稱為顆粒支撐結構。它可能是乾旱氣候帶的砂層，由毛細管作用，溶宏消液沿顆粒間細縫流動並沉澱形成的，或者是原來的孔隙式膠結物經地下水淋濾改造而成的。

（4）鑲嵌膠結：在成岩期的壓固作用下，特別是當壓溶作用明顯時，砂質沉積物中的碎屑顆粒會更緊密地接觸，顆粒之間由點接觸發展為線接觸、凹凸接觸，甚至形成縫合狀接觸。這種顆粒直接接觸構成的鑲嵌式膠結，有時不能將碎屑與其硅質膠結物區分開，看起來像是沒有膠結物，因此，也可稱之為無膠結物式膠結。

⑥ 礦物微形貌研究方法

礦物形貌研究是藉以探索礦物生長機制和生成歷史的重要內容，通常用直接觀察的方法進行。較大顆粒的宏觀礦物形態只需肉眼觀察或藉助實體顯微鏡即可，更深入的微觀形貌觀察必須藉助高倍顯微鏡進行。根據工作原理，可將礦物形貌觀察顯微鏡分為光學和電子兩大類。

一、光學顯微鏡

光學顯微技術是在微米尺度上觀察礦物形貌及結構的較普遍的方法，有實體、偏光和反光3種類型。

實體顯微鏡能較為直觀地放大物體，放大倍數不高，一般為幾倍至100倍，可以觀察礦物形態、解理以及表面較明顯的微形貌結構。

偏光顯微鏡能放大數十倍到數百倍，可以觀察礦物的雙晶、解理、塊狀或隱晶集合體形態等特徵。

圖24-1 透射相襯顯微鏡的光學系統示意圖

圖24-2 掃描電子顯微鏡結構示意圖

反光顯微鏡通常用於不透明礦物的集合體形態的觀察。

二、相襯顯微鏡

相襯顯微鏡能夠觀察到礦物表面納米（nm）尺度的分子層厚度，對推動晶體表面微形貌的研究起了極其重要的促進作用。

相襯顯微鏡的光學系統能將入射光產生的位相差轉換為振幅（或強度）差。前者肉眼無法辨認，經轉換後就能直接觀察位相差所反映的物體表面（反射）或內部（透射）的結構細節。

相襯顯微鏡的結構與普通偏光顯微鏡相似，所不同的是在聚光鏡下方插入了一個環形空圈板；另有幾個安裝有位相板的相襯物鏡及同軸調整望遠鏡3個特殊部分。環形空圈板的作用在於提高解析度；位相板（即位相過濾器）的作用是加大圖像的襯比度。相襯顯微鏡有透射式與反射式兩種類型（透射式的光學系統見圖24-1），前者用於觀察薄片中礦物內部顯微構造，後者用於觀察晶體表面。藉助相襯顯微鏡，能清晰看到微米（μm）級、具立體感的微觀形貌，對探索礦物的結晶狀態和生長機制，提供了許多用常規方法不能獲得的豐富信息。

三、電子顯微鏡

電子顯微鏡包括透射電鏡（TEM）和掃描電鏡（SEM），是將電子束激發樣品微區產生的信號收集、放大並轉換成各種圖像、圖譜或強度數據，從而直接給出亞微觀尺度的樣品形貌、結構和成分的儀器。

透射電鏡的結構主要由電子槍、電磁透鏡（聚光系統）、成像系統、真空系統、顯像部分、電源部分及各種附件組成。結構上它與普通光學顯微鏡相似，不同的是，光學顯微鏡用可見光作光源，在空氣介質中工作，聚光系統是玻璃透鏡，最高放大倍數為1000 倍左右，有效解析度為0.2μm；而透射電鏡則用電子束作射線源，由於電子波長很短，其分辨本領很高，為減少運動電子能量損失，在真空下工作，並採用雙電磁透鏡聚焦，以提高電子束強度和物鏡成像後的亮度，放大倍數由幾百倍到200萬倍，解析度達0.7～1nm，可觀察晶格像、位錯、晶體缺陷等微細結構的變化。透射電鏡的實驗技術，要求制備極薄（100～200nm）的透明樣品，目前主要通過離子減薄制樣技術獲得。

掃描電鏡是用細聚焦電子束在試樣表面掃描時激發產生二次電子（輔有背散射電子、吸收電子和特徵X射線），經收集、處理、放大後成二次電子像，從而獲得樣品表面的三維立體圖像（圖24-2）。掃描電鏡主要功能是進行高分辨的微形貌觀察。

目前掃描電鏡普遍的解析度是4～7nm，放大倍數可從10倍到30萬倍，中間連續可調，圖像清晰，立體感強。掃描電鏡制樣簡單，對具導電性樣品，不必經過加工，只要其大小不大於樣品座即可；對於非導電性樣品，需在表面噴鍍5～20nm厚導電膜，通常是用二次電子發射系數高的金或碳噴鍍（習慣稱鍍金或鍍碳）。近年發展起來的環境掃描電鏡除了不必噴鍍外，還可對活體進行觀察，適於進行礦物-生物相互作用研究。

除以上礦物形貌研究方法外，還有光學測角儀，主要對晶體的面角進行測量。

四、掃描探針顯微鏡

探針顯微鏡（Scanning Probe Microscope，簡稱SPM）是指那些以隧道效應為理論基礎發展起來的各種分析實驗方法。它們都是通過一個探針相對於樣品進行掃描，通過監測兩者之間電、光、力、磁場等隨針尖與樣品間隙的變化來獲取待測樣品表面的有關信息。SPM家族中最為重要的兩個成員是掃描隧道顯微鏡（Scanning Tunneling Microscope，簡稱STM）和原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope，簡稱 AFM），其他 SPM 技術均是在此兩種技術的基礎上發展而來的。1988年和1990年，STM和AFM相繼被引入礦物學的研究中，給礦物學、礦物材料學研究增添了一個有力工具。

1.掃描隧道顯微鏡

STM的基本原理是量子的隧道效應。所謂「隧道效應」是指當兩個電極間被加上一個偏壓並接近到一定程度時，電子從一個電極轉移到另一個電極而產生電流的現象，所產生的電流稱為隧道電流。根據產生隧道效應的原理，將原子限度的極細針尖和被研究物質表面作為兩個電極，當樣品與針尖的距離非常小（通常小於1nm）時，在外加電場作用下，電子會穿過兩個電極之間的絕緣層由一個電極流向另一個電極，這種現象即前面介紹的隧道效應。隧道電流I是電子波函數重疊的量度，與針尖和樣品之間的距離S及平均功函數X有關：

I∝V_bexp（-AX^1/2S）

式中：V_b是加在針尖和樣品之間的偏置電壓；A為常數，在真空條件下約等於1；X為平均功函數

結晶學與礦物學

式中：X₁和X₂分別為針尖和樣品的功函數。

由上式可知，隧道電流強度對針尖與樣品間的距離非常敏感。當功函數為幾個eV時，S每改變0.1nm，I將改變一個數量級。因此，利用電子反饋線路控制隧道電流的恆定，並用壓電陶瓷材料控制針尖在樣品表面的掃描，探針在垂直於樣品表面方向上的高低變化就能反映出樣品表面的起伏。將針尖在樣品表面掃描時運動的軌跡直接在熒光屏或記錄紙上顯示出來，就得到了樣品表面費米能級附近狀態密度的分布或原子排列的圖像。這種掃描方式稱為恆流方式。也可控制針尖高度守恆掃描，通過記錄隧道電流的變化來得到樣品表面費米能級附近狀態密度的分布，這種掃描方式稱為恆高模式。因此一般的STM都有兩種工作方式：恆流模式和恆高模式。恆高模式可以採用較快的掃描速度，因此可以減小噪音和熱漂移的影響，較適合於礦物等較為復雜的物質表面的小范圍觀察。恆流模式則適合於低速掃描，常用於物質表面較大范圍的觀察。

掃描隧道顯微鏡的特點是STM實驗不需接觸樣品就可研究物質表面結構。STM具有原子級的解析度，使它成為目前解析度最高的表面分析儀器。STM可以在各種環境中進行實驗，STM可以直接觀察原子間轉移的過程。對於表面的吸附和滲透過程、礦物表面與溶液間的反應過程，STM可能描繪出較為詳細的機理。

雖然STM具有很多獨特的優點，但同時它也存在自己的局限性，如樣品表面原子種類不同，或樣品表面吸附有原子、分子時，由於不同種類的原子或分子團等具有不同的電子態密度和功函數，此時STM給出的等電子態密度輪廓不再對應於樣品表面原子的起伏，而是表面原子起伏與不同原子和各自態密度組合後的綜合效果。STM不能區分這兩個因素。STM所觀察的樣品必須具有一定程度的導電性，對於半導體，觀測的效果就差於導體。對於絕緣體則根本無法直接觀察。針尖形狀對圖像有嚴重影響。

2.原子力顯微鏡

AFM的探頭是對微弱力（如范德華力）極敏感的微懸臂。當微懸臂的針尖接觸樣品時，針尖尖端的原子與樣品表面的原子會產生極微弱的排斥力。掃描樣品時通過控制這種力使之恆定，針尖與樣品間作用力的等位面便能從原子尺度上反映礦物表面的微形貌。

AFM不僅適用於導電樣品，也適用於不導電樣品。

3.掃描探針顯微鏡在礦物學研究中的應用

SPM應用於與礦物有關的研究始於1988年。近10年來SPM已被廣泛應用於各種與礦物或礦物材料學研究有關的領域。

（1）礦物材料表面形貌研究

表面微形貌即表面的微觀幾何形態，是指特徵尺度一般在微米級、納米級到原子級的三維微觀形貌。

在表面定性觀察方面，SPM是目前解析度最高的分析儀器。掃描電子顯微鏡雖是用於固體物質形貌觀察的主要手段，但其解析度難以超過6nm。SPM 的橫向解析度可達原子級，因此SPM填補了物質微形貌觀察中解析度從6nm到原子級之間的空白，使微形貌研究可以在前所未有的高解析度水平上開展。在表面定量研究方面，SPM較其他分析手段更易實現表面二維、三維形貌數據的計算機採集和處理，進行形貌定量分析。因此SPM在表面形貌定量研究方面具有巨大潛力。國外近年來已開發出一些可計算材料表面二維參數的計算機軟體。

SPM在礦物和材料表面形貌研究中的應用已有不少實例，用SPM觀察到了很多礦物和其他材料表面重要的微形貌現象，如礦物表面的溶蝕現象、礦物和材料表面的生長紋等。

（2）礦物材料表面原子結構研究

SPM是目前唯一能在正空間觀察物質表面原子排布的儀器，因此目前這方面的研究最為活躍。已用SPM觀察到了若干礦物、有機和無機材料表面的原子排布、原子缺陷、表面重構、各種疇結構等重要的結構現象。如輝鉬礦表面鉬原子分布的STM圖像、單晶硅表面7×7重構現象的STM像、硬石膏解理面的AFM圖像，顯示了氧和鈣原子的排布等。

（3）礦物材料表面吸附和化學反應研究

表面吸附是表面科學研究中的重要課題。表面科學研究常常需要知道原子或分子吸附在表面的什麼部位？它們如何與基底聯結？用傳統的表面分析技術只能了解表面的平均性質，不能對吸附的原子或分子成像，難以確切回答以上問題。而SPM在這一領域有獨特的優點。由於SPM可在溶液中進行實驗，因此SPM可用於直接觀察表面的化學反應過程，如表面溶蝕過程和表面生長過程等。用SPM便獲得了金浸泡在KI溶液中，I原子吸附在金錶面的現象。