材料的圖像分析方法

㈠ 納米材料的表徵技術有什麼

透射電鏡（結合圖象分析儀）法，光子相關譜（PCS）（或稱動態光散射），比表面積法以及X射線小角散射法（SAXS）等四種。1、透射電鏡法：透射電鏡是一種直觀、可靠的絕對尺度測定方法，對於納米顆粒，它可以觀察其大小、形狀，還可以根據像的襯度來估計顆粒的厚度，顯微鏡結合圖像分析法還可以選擇地進行觀測和統計，分門別類給出粒度分布。如果將顆粒進行包埋、鑲嵌和切片減薄制樣，還可以對顆粒內部的微觀結構作進一步地分析。當對於所檢測的樣品清晰成像後，就是一個測量和統計的問題。一種作法是選取足夠多的視場進行照相，獲得數百乃至數千個顆粒的電鏡照片，再將每張照片經掃描進入圖象分析儀進行分析統計。按標准刻度計算顆粒的等效投影面積直徑，同時統計落在各個粒度區間的顆粒個數。然後計算出以個數為基準的粒度組成、平均粒度 、分布方差等，並可輸出相應的直方分布圖。在應用軟體中還包括個數分布向體積分布轉換的功能，往往將這兩種分布及相關的直方圖和統計平均值等都出來。該方法的優點是直觀，而且可以得到顆粒形狀信息，缺點是要求顆粒要處於良好的分散狀態，另外，由於用顯微鏡觀測時所需試樣量非常少，所以對試樣的代表性要求嚴格。因此取樣和制樣的方法必須規范；而且要對大量的顆粒的粒徑進行統計才能得到粒度分布值或平均粒徑。2、光子相關譜法：該方法是基於分子熱運動效應，懸浮於液體中的微細顆粒都在不停地作布朗運動，其無規律運動的速率與濕度和液體的粘度有關，同時也與顆粒本身的大小有關。對於大的顆粒其移動相對較慢，而小的顆粒則移動較快。這種遷移導致顆粒在液體中的擴散，對分散於粘度為η的球形顆粒，彼此之間無交互作用時，它的擴散系數D同粒徑x之間的關系滿足一關系。而當一束激光通過稀薄的顆粒懸浮液時，被照射的顆粒將會向四周散射光。在某一角度下所測散射光的強度和位相將取決於顆粒在光束中的位置以及顆粒與探測器之間的距離。由於顆粒在液體中不斷地作布朗運動，它們的位置隨機變動，因而其散射光強度也隨時間波動。顆粒越小，擴散運動越強，散射光強度隨即漲落的速率也就越快；反之則相反。光子相關譜（PCS）法這正是從測量分析這種散射光強的漲落函數中獲得顆粒的動態信息，求出顆粒的平移擴散系數而得到顆粒得粒度信息的，所以又稱為動態光散射法。光子相關譜法粒度分析的范圍約3nm～1000nm。測試速度快，對粒度分布集中且顆粒分散好的樣品，測量結果重復性好。該方法缺點是要求樣品要處於良好的分散狀態，否則測出的是團聚體的粒度大小。3、比表面積法：粉末的比表面積為單位體積或單位質量粉末顆粒的總表面積，它包括所有顆粒的外表面積以及與外表面積相聯通的孔所提供的內表面積。粉末的比表面積同其粒度、粒度分布、顆粒的形狀和表面粗糙度等眾多因數有關，它是粉末多分散性的綜合反映。測定粉末比表面積的方法很多，如空氣透過法、BET吸附法、浸潤熱法、壓汞法、X射線小角散射法等，另外也可以根據所測粉末的粒度分布和觀察的顆粒形狀因子來進行計算。在以上方法中，BET低溫氮吸附法是應用最廣的經典方法，測量比表面積的BET吸附法，是基於測定樣品表面上氣體單分子層的吸附量。最廣泛使用的吸附劑是氮氣，測定范圍在1—1000m2/g，十分適合對納米粉末的測定；該方法的優點是設備簡單，測試速度快，但它僅僅是納米粉末的比表面積的信息，通過換算可以得到平均粒徑的信息，但不能知道其粒度分布的情況。4、X射線小角散射法：X射線小角散射（SAXS）系發生於原光束附近0～幾度范圍內的相干散射現象，物質內部1至數百納米尺度的電子密度的起伏是產生這種散射效應的根本原因。因此SAXS技術可以用來表徵物質的長周期、准周期結構以及呈無規分布的納米體系。廣泛地用於1～300nm范圍內的各種金屬和非金屬粉末粒度分布的測定，也可用於膠體溶液、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微孔、GP區和沉澱析出相尺寸分布的測定。SAXS的結果所反映的為一次顆粒的尺寸：所謂一次顆粒，即原顆粒，可以相互分離而獨立存在的顆粒。很多顆粒粘附在一起形成團粒，這在納米粉末中是相當常見的。如不能將其中的顆粒有效地分散開來，它們將會作為一個整體而沉降、遮擋和散射可見光，其測試結果勢必為團粒尺寸的反映。而SAXS測試結果所反映的既非晶粒亦非團粒而是一次顆粒的尺寸。測試結果的統計代表性：檢測結果是否具有代表性，當取樣合理時，主要是看測量信息來源於多少個顆粒。對小角散射而言就是要看測量時X射線大約照射上多少顆粒，根據上述參數可以算出X射線輻照體積內的顆粒數近似為1.8×10的10次方個。因此，我們可以認為一般小角散射信息來自10的9次方～10的11次方個顆粒，這也就保證其結果的統計代表性。

㈡ 圖像觀察法

圖像觀察法是珠寶玉石材料無損檢測中使用最廣泛的方法。常用的儀器是各類放大鏡,寶石顯微鏡(倍率為45~75,帶暗場、明場等照明功能),偏光顯微鏡以及其他低倍率、功能單一的顯微鏡,超景深顯微鏡等。

(一)寶石顯微鏡

寶石顯微鏡是用來觀測寶石表面及內部特徵最常用的儀器,對彩色寶石產地特徵的觀察和信息採集具有最重要意義。

寶石顯微鏡主要由以下幾個部件組成:

(1)光學系統(透鏡系統),包括目鏡、物鏡等。

(2)照明系統,包括底光源、頂光源、光量強度調節按鈕等。

(3)機械繫統,包括支架、寶石夾、焦距調節旋鈕等。

圖2-1為直立式寶石顯微鏡的原理及結構圖。

圖2-8 DiamondView^TM下可見紅寶石內的生長條帶和裂隙(10×)

DiamondView^TM在使用時可將具光滑表面的樣品置於紫外光下,拍攝並記錄其紫外熒光圖樣。不同品種的寶石具有不同的發光特徵,不同產地的同一品種寶石其熒光特性(如熒光強度)也存在差異。對於鑽石而言,可將其熒光圖像直接與DiamondView^TM軟體中存有的各種天然和合成鑽石的紫外熒光圖樣進行對比,從而得出結論。

㈢ 2020.02.03小劉科研筆記之材料的表徵方法

形貌、成分和結構的表徵是材料的生長、鑒別、加工、研究和應用等過程中很重要的一個步驟。材料的表徵方法按照實驗數據類型可以分為圖像類和譜圖類兩類，其中圖像類有SEM、FIB-SEM、AFM和TEM等；譜圖類有XPS、XRD、Raman、FT-IR、UV-vis、NMR、XAS以及配合電鏡使用的EELS和EDS等。

SEM、FIB-SEM和AFM主要用來表徵材料的形貌特徵，TEM、EELS、EDS 、XPS、XRD、Raman、FT-IR、UV-vis、NMR和XAS主要用來表徵材料的晶體結構、成分和化學鍵信息。

1.SEM

SEM是最廣泛使用的材料表徵方法之一。它具備較大的景深、較寬的放大范圍和納米級甚至亞納米級高解析度的成像能力，可以對復雜的、粗糙的表面形貌進行成像和尺寸測量，配合背散射電子探頭可以分析一些材料的成分分布。另外，結合截面樣品的制備，SEM還可以對樣品的截面形貌進行表徵和尺寸測量。圖1是將硅襯底上生長的SiNX層刻蝕為周期性光柵結構，由其截面SEM圖可以測量出，光柵開口為302.3nm，刻蝕深度為414.7nm，陡直度為90.7°，光刻膠殘余為49.0nm。

2.FIB-SEM

FIB-SEM是在SEM的基礎上增加了聚焦離歷配子束鏡筒的雙束系統，同時具備微納加工和成像的功能，在材料的表徵分析中具有重要的作用。首先，FIB-SEM可以准確定點制備材料的截面樣品，並對其進行形貌表徵和尺寸測量，廣泛應用於晶元失效分析和材料研究；另外FIB-SEM可以對材料進行切片式的形貌和成分三維重構，揭示材料的內部三維結構。圖2是頁岩內部5×8×7微米范圍的三維重構結果，其分辯率可達納米級，展示了頁岩中孔隙、有機質、黃鐵礦等的三維空間分布，並可以計算出孔隙的半徑大小、體積及比例。FIB-SEM還有純爛叢很多其他的強大功能，例如復雜微納結構加工、TEM制樣、三維原子探針制樣和晶元線路修改等。

3.AFM

AFM是另一種用來表徵材料形貌的常用技術。和SEM相比，AFM的優勢是可以對空氣和液體中的材料進行成像，另外它測量材料表面粗糙度和二維材料及准二維材料厚度的精度非常高。圖3是在石墨炔的邊緣得到的AFM圖，可以得出石墨炔的厚度約為2.23nm，大約是6層石墨炔原子層。

4.TEM透射電鏡

TEM以及它的附件（電子衍射、EDS、EELS、各種樣品桿）是用來表徵材料的形貌、晶格結構和成分最有效的方法之一。比較經常用到的基於TEM的技術有以下幾種。

4.1 LMTEM

LMTEM（低倍TEM）可以用來觀察材料的整體形貌和尺寸做櫻，辨別材料的不同形態。與掃描電鏡相比，LMTEM解析度更高一些，制樣復雜一些，是三維結構的二維投影。圖4a和b分別是石墨炔納米線和薄膜的LMTEM圖，可以很明顯的揭示出石墨炔的不同形態。LMTEM圖也可以分別展示出石墨炔納米線和薄膜的直徑和面積等尺寸信息。

4.2 SAED

SAED（選區電子衍射）經常用來表徵材料的晶體結構、結晶性，以及輔助樣品桿轉正帶軸，得到高質量HRTEM像。圖5是一個利用SAED判斷ZnO/Ga2O3異質結微米線優先生長晶向的例子。首先沿如圖5a插圖所示微米線的長軸方向提取薄片製成TEM樣品（圖5a），然後在ZnO處做選區電子衍射（圖5b），並標定出沿微米線長軸方向的衍射斑間距，算出其對應的晶面間距為0.26nm；最後與ZnO的標准PDF卡片對比，得出微米線優先生長的晶向為[001]，即c軸。

4.3 HRTEM

HRTEM是一種比SAED更快、更直觀的表徵材料晶面間距和結晶程度的技術。圖6a是GDY(石墨炔)/CuO復合物的HRTEM像。從圖中測量出的0.365nm和0.252nm分別與GDY層間距和CuO的（-111）晶面間距的理論值一致，從而確定該復合物是GDY和CuO的復合物。另外，從GDY和CuO界面處的HRTEM可以很直觀的看出GDY和CuO之間有很好的結合。

4.4 EDS

EDS做為TEM和SEM的附件，可以用來分析材料的成分的組成和分布。而對於TEM，需要在其STEM成像模式下，才可以進行EDS mapping，揭示材料的成分分布。GDY/CuO復合物的STEM像和對應的EDS 元素mapping如圖7所示。EDS mapping圖表明該材料由C、Cu、O三種元素組成，還可以直觀的看出復合物中的CuO被GDY成功的包裹在裡面。

4.5 EELS

EELS（電子能量損失譜）是另一種類似於EDS的用於分析材料的成分組成和分布的技術。EELS和EDS之間的區別有：EELS和EDS分別更適用於輕和重元素；EELS還可以分析材料中元素的成鍵態；

另外，EELS還可以用來測量材料的厚度，其簡單原理是收集記錄樣品的具有zero-loss peak的EELS譜，然後將zero-loss peak的面積積分I0與整個光譜的面積積分It比較，即可得出樣品的厚度t=ln(It/I0)* λ，其中λ是所有非彈性散射電子的總平均自由程{參考文獻6}。

參考文獻

[1] 馬勇，鍾寧寧*，黃小艷，郭州平，姚立鵬．聚集離子束掃描電鏡( FIB-SEM) 在頁岩納米級孔隙結構研究中的應用［J］． 電子顯微學報，2014，33(3) : 251-256．

[2] Chao Li, Xiuli Lu, Yingying Han, Shangfeng Tang, Yi Ding, Ruirui Liu, Haihong Bao, Yuliang Li, Jun Luo*, Tongbu Lu*. Direct Imaging and Determination of The Crystal Structure of Six-layered Graphdiyne. Nano Res. 2018, 11, 1714−1721.

[3] Haihong Bao, Lei Wang, Chao Li*, and Jun Luo*. Structural Characterization and Identification of Graphdiyne and Graphdiyne-Based Materials. ACS Appl. Mater. Interfaces. DOI: 10.1021/acsami.8b05051

[4] M. Chen, B. Zhao, G. Hu, X. Fang,* H. Wang,* L. Wang, J. Luo, X. Han, X. Wang, C. Pan,* and Z. L. Wang*,Piezo-Phototronic Effect Molated Deep UV Photodetector Based on ZnO-Ga2O3 Heterojuction Microwire,  Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1706379.

[5] Gao, X.; Ren, H. Y.; Zhou, J. Y.; Du, R.; Yin, C.; Liu, R.; Peng, H. L.; Tong, L. M.; Liu, Z. F.; Zhang, J. Synthesis of Hierarchical Graphdiyne-Based Architecture for Efficient Solar Steam Generation. Chem. Mater. 2017, 29, 5777−5781.

[6] Egerton, R. F. Electron Energy-Loss Spectros in the Electron Microscope; Springer: New York, 1995.