第一篇：納米表征與測量教研室

納米材料與先進制造教研室

1.主要研究內容

通過對納米結構維度、表面結構等的精確調控，賦予各單一納米特性精準化；發展多級次納米制造的新方法和新技術；實現納米結構表面化學反應的調控；揭示納米結構及表界面效應等對功能的調控作用。

具體的研究方向包括單納米顆粒的制備、納米基元的多級次組裝、納米結構的催化效應、納米材料的應用等。

1)單納米顆粒的精準制備

單納米顆粒的精準制備是納米材料制備中最具挑戰性的問題。通過調控納米顆粒的成核及生長過程，發展尺寸、晶面、缺陷結構納米基元制備方法，通過控制晶面和定向表面修飾等手段賦予納米顆粒空間各向異性，挑戰單分散納米材料的合成極限；賦予單一納米體系結構與功能的精準特性；調控粒子間的各種相互作用，實現單分散超級納米粒子的精準可控制備。

2)納米基元的多級次組裝

納米基元的多級次組裝是納米效應傳遞并放大至宏觀體系的基礎。提出并發展可控制備大尺度（尺度范圍為1平方毫米至1平方厘米）多級次有序自組裝體的新方法，實現納米顆粒大范圍有序可控多級次構建；闡明多級次組裝體新的物理化學性質及跨尺度性能傳遞與協同規律，揭示構建機制；有效實現與當前微加工技術的無縫連接，實現有序組裝體的規模化制備與集成，為實際應用奠定基礎。

3)納米結構的催化效應

納米結構的催化效應是納米材料的最重要的應用之一。利用納米材料獨有的結構/形貌效應、（量子）尺寸效應、表面、界面效應，改變納米催化材料的電子結構、活性位和空間限域特性，進而調控催化劑與反應分子間的電子傳遞、相互作用、基元反應過渡態的結構及其相對能量變化，實現催化劑性能的根本改變。瞄準重要化工工程，力爭獲得重大突破，為相關產業過程的技術革命提供科學和技術支撐。

4)納米材料的制造與應用

納米材料的制造技術是納米科技規模應用的基礎。以各類通用高分子材料為基體，以無機或金屬納米材料為填充物，制造具有優良力學和熱學性能、同時具有光電磁特性的各類新型功能納米復合材料。其核心是對納米材料表面性能及其在高分子材料基體中分散狀態的精確調控，從而實現材料核心性能的大幅提高和綜合性能的優化。以滿足社會經濟和國民生活需求為目標，實現新型材料的大規模、低成本生產。

2.擬解決的重大科學問題

發展精準納米結構合成和組裝新概念、新方法，實現重大應用前景的納米結構的多級次制造。

3.重大突破目標

重大科學目標：建立原子水平精準制備納米顆粒的新方法和新技術，發展單納米顆粒尺寸、維度、晶面、缺陷、組分、表面結構等的精確控制策略，賦予單一納米特性精準化；發展跨尺度精準組裝和精準制備的新方法，實現多級次、大面積復雜結構的可控構筑，揭示納米特性的跨尺度傳遞規律；利用對納米催化劑表界面結構及電子態的精準調控，揭示多級次結構與催化性能間的構效關系，顯著提高重要工業反應的催化性能；發展新型納米材料制備與加工技術，實現新型納米材料的規?；a與實際應用。

第二篇：多孔c、Fe納米復合材料的制備及表征

多孔C / Fe納米復合材料的制備及表征 引言

活性炭具有孔隙發達、高比表面積、耐腐蝕、環境友好的特性,主要應用于氣體吸附、水處理和催化載體等領域.近年來活性炭越來越多應用于一些新領域,例如儲氫、超級電容、燃料電池等.但是由于活性炭由非晶碳構成,其內部結構零亂而不規則,因而電子不能夠自由移動,導電性差,這限制了其在電化學、能源領域的應用.而石墨化程度高的碳(例如石墨、炭黑、碳纖維等)較非晶炭具有更完善的晶體結構,從而具有更為優良的導電性和熱穩定性.因此,具有石墨化結構的多孔碳既擁有比表面積大、吸附能力強的特點,又具有優良電化學特性,受到越來越多的關注.1.1制備方法的提出與分析

現階段制備含有石墨結構的多孔碳的方法主要有三種:一是以聚合物塑料、橡膠或有機物為原料, 并向其中添加一定的發泡劑再通過2200~3000超高溫度燒結的方法制備;二是模板法,即利用硅膠、Al2O3、沸石等多孔材料為模板,通過氣相沉積、溶膠凝膠等方法多次復合碳先驅體,隨后通過酸洗、高溫燒結等制備石墨多孔碳.方法三是膨脹石墨法,即以天然鱗片石墨為原料,與濃硫酸、重鉻酸鉀等作用后瞬間高溫加熱,石墨層間化合物急劇分解和氣化,從而形成疏松多孔的石墨材料.這些方法能在一定尺度范圍內較為有效地調控孔隙及孔徑分布,但制備工藝復雜、耗時長且對設備要求高.本工作提出一種簡單有效的制備含有石墨結構的多孔碳的新方法:選擇合適的孔徑分布的商用活性炭為原材料,通過真空浸漬工藝引入納米鐵顆粒,在較低溫度下催化多孔碳使其原位自生出石墨納米結構,從而制備出C/Fe納米復合材料.2、實驗過程

1.1制備

C/Fe納米復合材料的制備過程如圖1所示.實驗采用活性炭粉末(Activated Carbon, AC)(國藥滬試,AR)為原料,將其浸漬于硝酸鐵鹽溶液(1mol/L),先使用超聲清洗儀超聲振蕩1h,再將其靜置48h,之后將溶液濾去,過濾所得固體在80℃下烘干.將烘干后的粉末研磨,并過篩(～74um)后,置于真空燒結爐(ZRX-12-11,上海晨華電爐廠)內燒結.燒結爐的真空度為1×10-5Pa,升溫速度為5℃/min,燒結目標溫度為700、800、900和1000,在溫度達到目標溫度后恒溫1h再自然冷卻至室溫.所得樣品標記為C/Fe-x,(x為燒結溫度(℃)).將C/Fe納米復合材料置于10%鹽酸溶液中振蕩2h，再用去離子水清洗至中性,如此反復5次,除去C/Fe納米復合材料中的Fe粒子.1.2表征

采用高分辨透射電鏡(HRTEM)(JEOL JEM2010)研究C/Fe納米復合材料的微觀結構.利用X射線衍射(XRD)儀R igaku RINT2000 system(35kV,200mA)對樣品進行物相分析,XRD試驗采用Cu靶K輻射,步進式掃描,步長0.02°,掃描角度20°~90°,入射波長=0.154056nm.采用77K氮吸附等溫線(ASA P2010 型測試儀)測試樣品的孔徑分布,并通過Brunauer-Emmett-Teller(BET)方程式計算比表面積,以孔徑體積和BET比表面積計算平均孔徑.采用Perk in-Elmer TGA-7系列熱重分析系統在氮氣氣氛中進行熱重分析,實驗采用的升溫速度為20℃/min.圖 1

1C /Fe納米復合材料制備過程

Fig.Fabrication process of the C/Fe nanocomposite

2結果與討論

2.1 C/Fe納米復合材料的微觀結構

通過檢索JCPDS ICDD 標準卡片標定樣品XRD譜圖中的衍射峰.圖2為活性炭、浸漬

?處理后的活性炭以及C/Fe-800納米復合材料的衍射譜圖.如圖2a所示2??26,和43°處的寬峰分別對應碳(002)和(100)晶面,這說明活性炭結晶程度低,主要由非晶碳構成;如圖2b所示,浸漬過硝酸鐵并干燥后的活性炭主要由非晶態的碳和鐵的水合氧化物FeO(OH)組成;而經過800℃高溫處理后,如圖2c C/Fe-800所示, ??在2??26處的衍射峰表示炭的石墨化結構形成,2??44處的尖峰表示鐵主要以a-Fe形式存在,此外還含有少量滲炭體Fe3C.圖3為不同溫度熱處理所得C/Fe納

?米復合材料的XRD圖譜,從圖中可以發現,隨著熱處理溫度的升高,2??44處所對應的a-Fe(110)晶面衍射峰強且尖,說明其結晶度良好.通過Bragg公式計算各真空熱處理溫度下所得樣品的(002)晶面間距(表1),可以發現隨著溫度的升高,晶面間距d(002)逐漸向理想石墨結構0.3354nm靠近,這說明碳的石墨化程度也愈高.F ig.1

活性炭、浸漬處理后的活性炭以及 C/Fe 800的 XRD圖譜

F ig.2

XRD patterns of activated carbon,activated carbon i

根據Franklin和Harris等的研究,活性炭主要由無定形碳中的難石墨化的碳(non graphitizingcarbon)構成,難石墨化的碳是由非平面的五元碳環、六元碳環等構成的石墨微晶組成,這些石墨微晶結構形狀不規則且雜亂無序,即使采用3000°C以上的高溫處理也無法轉變成有序的石墨化結構.而本研究中,由XRD的結果(圖3)可以發現,活性炭在700°C 時便出現了石墨化結構.為了進一步研究C/Fe納米復合材料的微觀結構,對C/Fe納米復合材料進行高分辨透射電鏡觀察.圖4為高分辨透射電鏡(HRTEM)照片.如圖4(a)所示,活性炭中的石墨微晶彎曲形成微孔碳,以雜亂不規則的形態存在.圖4(b)(c)顯示的是活性炭經過超聲浸Fe(NO3)3后的透射電鏡照片.如圖所示,硝酸鐵鹽溶液中的鐵離子與氫氧根離子進入了活性炭豐富的孔道之中,并以鱗片狀的針鐵礦形式固定下來,并均勻分散于非晶態的碳基體中.在隨后的高溫熱處理過程中,針鐵礦與周圍的非晶碳發生反應,產生C/Fe納米復合結構(圖4(d)~(f)).如圖4(d)所示,納米鐵粒子均勻分布于碳基體中,顆粒直徑約為20~50nm,表明針鐵礦經過高溫熱處理在活性炭還原作用下形成了a-Fe納米顆粒.進一步對圖4(d)中的鐵納米顆粒結構分析,見圖4(e),納米鐵顆粒被石墨層包裹,并環繞數量眾多的碳納米帶.這些碳納米帶寬度在1~20nm之間,并向非晶碳基體內和外空間彎曲伸展,相互交叉連接形成碳納米帶網絡結構.進一步對碳納米帶研究發現,如圖4(f)所示,碳納米帶具有明顯的石墨層狀結構特征.2.2 C/Fe納米復合材料孔結構表征

為了研究C /Fe納米復合材料微觀結構的變化對活性炭孔結構及分布的影響,進行了氮吸附測試.表2為活性炭、酸處理前后的C/Fe納米復合材料的BET比表面積、孔隙容積以及平均孔徑,圖5為活性炭、酸處理前后的C/Fe納米復合材料的孔徑分布.如表2所示, 商業活性炭孔徑主要分布在2~3nm的 介孔范圍,BET比表面積為 1906㎡/g.制備所得的C/Fe納米復合材料比表面積和平均孔徑隨溫度的上升而下降,C/Fe-700的BET比表面積降為645㎡/g,孔隙容積下降至0.441cm/g,平均孔徑上升至2.736nm, 直徑為2~3nm的孔徑比例大幅減少.如圖5(a)所示,隨著熱處理溫度升高,C/Fe納米復合材料孔徑分布從2~3nm向10nm左右的較大孔徑偏移,平均孔徑逐漸上升,比表面積下降明顯.這主要因為活性炭經過浸漬和燒結,原活性炭中的小孔被鐵粒子占據,活性炭-鐵界面處的碳參與還原鐵的反應而消耗, 并且由于碳的石墨化過程,原活性炭中部分不規則多孔的無定型碳轉變成密實的石墨結構.如表2和圖5所示,C/Fe納米復合材料經過酸洗后的樣品BET比表面積較未酸洗的樣品提高約200m/g,20~50nm范圍孔徑比例均有所提升,這說明鐵納米粒子的尺寸主要集中在20~50nm,與TEM結果一致.以上結果表明,利用控制熱處理工藝的方法可以在一定范圍內調整C/Fe納米復合材料的孔徑分布,這在超級電容的應用過程中至關重要.Qu和Salitra等的研究表明,不同電解質的超級電容需要不同孔徑分布的多孔碳材料, 例如對于簡單的無機水合離子電解質溶液, 多孔碳的孔徑需大于0.5nm;對于BF-4 離子電解質溶液, 孔徑需大于2nm;對于(C2H5)4N+ 離子電解質溶液, 孔徑需大于5nm.而本研究可以在一定范圍內調整C /Fe 納米復合材料的孔徑分布, 故在超級電容電極應用中具有一定優勢.332.3 C/Fe納米復合材料的微觀組織形成機理

圖6為C /Fe納米復合材料的熱重分析實驗(室溫至800)結果.在開始階段(< 100), 隨著溫度的上升, 活性炭和浸漬過鐵鹽的活性炭都有不同程度的重量損失, 活性炭質量損失17w%t , 浸漬過鐵鹽的活性炭質量損失28w%t , 這部分損失屬物理脫水過程.如圖6(c)所示, 當溫度超過80

時, 隨著熱處理溫度進一步升高, 活性炭出現穩定的重量損失度平臺, 質量不再隨溫度上升而明顯減少, 當熱處理溫度超過550

后開始出現連續失重, 800

時的失重率約為42w%t , 說明實驗采用的活性炭本身含有少量雜質, 在室溫至800的熱處理過程中會逐漸分解釋放出部分小分子化合物.如圖6(a)所示, 浸漬處理過的活性炭在100~ 800

呈現近似線性的連續失重, 800

時的失重率約為92w %t , 這部分失重主要包括250~ 500

之間鐵的水合氧化物中結晶水的受熱分解失重和鐵的還原反應產生的損失.相關反應如下: 2FeO(OH)? Fe2O3+ H2O(1)2Fe2O3+ 3C ?4Fe + 3CO2(2)

研究表明, 納米尺度的過渡金屬(Fe、N i、Co)顆粒能催化非晶碳形成石墨結構[ 20].在本實驗中, 通過浸漬鐵鹽而在活性炭基體內形成的鐵水合氧化物在隨后的真空升溫過程中, 首先脫水并被碳還原成納米尺度的金屬鐵粒子, 然后再將原活性炭基體中的非晶碳催化石墨化, 并形成碳納米結構.目前對于過渡金屬催化形成碳納米結構的機理有著諸多的研究[ 2123] , 通常認為碳納米管等碳納米材料的生長機制都是通過碳原子在催化劑顆粒中的擴散、析出兩個階段來實現的.由于過渡金屬顆粒對碳原子具有很強溶解能力[ 24] , 碳是直接以原子形式溶入金屬鐵顆粒中, 隨著溫度升高,越來越多的碳溶解到金屬中, 并在一定程度時達到超飽和狀態, 一部分碳原子開始在金屬顆粒表面析出,隨著金屬顆粒中的碳飽和程度加劇, 金屬顆粒表面析出的碳形成了線性和多邊形結構, 進而導致碳納米結構形成.根據TEM 照片所示包裹特性, 本實驗納米金屬顆粒催化非晶碳形成碳納米帶的原理符合#溶解出?模型.但對于碳納米帶在固態非晶碳里的延伸生長的過程還有待進一步研究.3

結論

本文提供了一種以活性炭為原材料, 通過簡單的真空浸漬工藝引入金屬鐵粒子, 并結合真空高溫熱處理制備含有多孔石墨結構的C /Fe納米復合材料的新方法.活性炭在鐵納米粒子的催化下, 在700便出現了石墨化結構.隨著溫度的升高, 碳的石墨化程度也愈高.Fe以納米粒子的形式均勻分布于碳基體中, 并被石墨層包裹, 環繞延伸出碳納米帶.這些碳納米帶寬度在1 ~ 20nm 之間, 并相互交叉連接形成碳納米帶網絡結構.C /Fe復合材料繼承了原活性炭的多孔結構, 孔徑主要分布在介孔范圍.C /Fe700的BET 比表面積為645m/g, 孔隙容積為0.441cm/g,平均孔徑為2.736nm.利用控制熱處理工藝的方法可以在一定范圍內調整C /Fe納米復合材料的孔徑分布.32

第三篇：研究生納米測量技術課程論文

納米測量技術的研究及掃描隧道顯微鏡技術

摘 要

納米測量技術是納米科學技術的基礎學科之一。納米科學技術的快速發展, 不但給納米測量技術提出了挑戰, 同時也給納米測量技術提供了全新發展的機遇。綜述了國內外納米測量技術發展的現狀, 重點討論了納米材料、納米電子學和納米生物學等領域所涉及的納米測量與性能表征的難題和挑戰, 論述了納米科技成果給納米測量技術帶來的發展機遇,對納米測量技術的發展方向做了展望。最后介紹了掃描隧道顯微鏡的發展歷程以及掃描隧道顯微鏡的工作原理和系統結構。

關鍵詞

納米科學技術 納米測量 納米材料

掃描隧道顯微鏡

1、引 言

納米技術作為當前發展最迅速、研究最廣泛、投入最多的科學技術之一, 被譽為21 世紀的科學, 并且和生物工程一起被認為是未來科技的兩大重要前沿納米技術是包括納米電子、納米材料、納米生物、納米機械、納米制造、納米測量、納米物理、納米化學等諸多科學技術在內的一組技術的集合, 其目的是研究、發展和加工結構尺寸小于100nm 的材料、裝置和系統, 以獲得具有所需功能和性能的產品。科技發達國家為搶占這一高新技術生長點、制高點, 競相將納米技術列為21 世紀戰略性基礎研究的優先項目, 投入了大量的人力、物力和財力納米技術對許多工業領域已經開始具有非常關鍵的作用。它不僅將為許多技術難題提供新的解決方案和思路, 而且會進一步提高人們的生活水平, 并有可能在很大程度上改變人們的生活方式。從納米精度上的機械零件的加工和裝配、電子器件的生產制造、掃描探針顯微鏡(SPM , Scanning Probe Microscope)的發展、微型機電系統(MEMS, Micro Electro Mechanical 1 Systems)的制造, 到納米結構材料的加工和生物醫學系統的制造等, 納米技術正在得到廣泛的發展和應用。

2、納米測量技術現狀

鑒于納米測量技術的重要地位, 國外, 特別是美、日、歐等國家均投入了相當大的人力和物力予以重點支持。典型的例子有1982 年發明的掃描隧道顯微鏡;美國California 大學利用光杠桿實現的原子力顯微鏡首次獲得了原子級分辨率的表面圖像；美國國家標準與技術研究院(NIST)研制的分子測量機。日本研制的具有亞納米級測量分辨率的激光外差干涉儀。英國國家物理實驗室(NPL)研制的微形貌納米測量儀器的測量范圍是0.01～3nm;Warwick 大學研制出測量范圍在10Lm、nm 精度的X 光干涉儀。德國聯邦物理技術研究院(PTB)進行了一系列稱為1nm 級尺寸精度的科研項目。

我國對納米測量技術的研究也相當重視, 并取得了一些顯著成績。清華大學研制成功亞納米級分辨率的激光雙波長干涉儀。中國科學院北京電子顯微鏡實驗室成功研制了原子級分辨率的原子力顯微鏡。

中國計量科學研究院研制了用于微位移測量標準的法—珀干涉儀。天津大學研制了雙法—珀干涉型光纖

微位移傳感器。中國科學院化學所對掃描探針顯微術進行了一系列的科學研究。概括國內外的納米測量方法, 可以分為兩大類: 一類是非光學方法: 掃描探針顯微術、電子顯微術、電容電感測微法, 另一類是光學方法: 激光干涉儀、X 光干涉儀、光學光柵和光頻率跟蹤等。總結現有各種納米測量方法, 它們的單項參數(分辨率、精度、測量范圍)可達到的指標分別如表1 所示。

表 1 各種納米測量方法的比較

3、納米測量技術面對的挑戰

現有各種納米測量方法和儀器的不斷涌現, 為從事納米科學技術研究提供了理論依據和有效手段, 但是納米科學技術研究的快速發展對納米測量技術提出了迫切的要求。作者主要對納米材料、納米電子學和納米生物學等納米科技領域中面對的挑戰和難點進行論述。

3.1、納米材料的測量與性能表征

納米材料的測量與性能表征涉及兩個方面的研究內容: 一是納米材料的尺度測量;二是由尺度效應而導致的納米材料的性能表征。納米材料尺度的測量包括:納米粒子的粒徑、形貌、分散狀況以及物相和晶體結構的測量, 納米線、納米管等直徑、長度以及端面結構的測量和納米薄膜厚度、納米尺度的多層膜的單層厚度的測量等。適合納米材料尺度測量與性能表征的儀器主要有: 電子顯微鏡、場離子顯微鏡、掃描探測顯微鏡、X 光衍射儀和激光粒徑儀等。

現有納米測量方法往往測量大面積或大量的納米材料以表征納米材料的單一尺度和性能, 所得的測量結果是整個樣品的平均值, 因此, 單個納米顆粒、單根納米管的奇異特性就被掩蓋了。對現有的納米測量方法來說, 表征單一納米顆粒、納米管、納米纖維的尺度和性能是一個難題和挑戰。首先, 因為它們的尺寸相當小, 單一納米顆粒、納米管的固定和夾持無法用大尺寸的固定和夾持技術來實現。其次, 納米結構的小尺寸使得手工操縱相當困難, 需要有一種針對單一納米結構設計的專門操縱技 術來進行操作。因此, 為了準確測量單一納米結構的尺度和性能, 開發新的納米測量方法和手段是十分必要的。

另外, 現有納米測量方法僅局限于對納米材料外觀或表面尺度的測量, 而無法實現對納米材料結構內部的測量。例如, 納米改性纖維材料、納米涂料以及納米油漆等由于摻雜納米超細粉體以提高或改善其性能, 如何測量與評價這些材料內部納米粒子的尺度和納米粒子的團聚過程及其性能的改變是納米測量技術面臨的又一挑戰。

3.2、納米電子學涉及的納米測量與性能表征

納米電子學是研究電子在納米尺度空間中運動的規律, 并利用這些規律制作新型電子器件的一門新型學科。納米電子器件所涉及的測量與表征技術可分為:(1)納米電子器件幾何尺寸的測量, 如量子點、量子線、量子阱或單電子晶體管等幾何尺寸的納米測量;(2)單量子器件性能表征與測量技術, 如量子點、量子線等量子器件的量子能級分布測量, 單電子晶體管、單原子開關等量子器件的電子輸運特性的測量與性能表征;(3)納米電子器件所用材料的性能檢測和缺陷測量與控制技術;(4)集成電路中組件尺寸大范圍納米級測量技術和集成電路制造時所需的大范圍納米級掃描微動工作臺技術, 現在集成電路芯片尺寸達50mm ×50mm、線寬最小至0.13Lm(即130nm), 在50mm ×50mm 的范圍內實現130nm 線寬的性能檢測和測量,好比用1m 的尺子測量500km ×500km 的范圍, 可見測量范圍之大, 若線寬小至10nm, 則測量范圍更大, 確屬納米測量所面臨的重大挑戰和難題。納米電子學的另一個重點研究方向是發展具有更高信息存儲密度及更快響應速度的超高密度信息存儲材料和器件, 現在光存儲信息點尺寸達到50nm、磁存儲信息點尺寸小于10nm、以及利用掃描隧道顯微鏡寫入的信息點最小尺寸已達0.6nm[15]。因此, 光存儲和磁存儲同樣涉及在大范圍內進行信息點特征的納米測量的技術難點, 另外, 如何測量和評價光存儲和磁存儲所使用的納米尺度上平整的大面積、高質量的存儲薄膜, 亦是擺在納米測量科學面前的重要課題。

3.3、納米生物學涉及的納米測量與性能表征

納米生物學的研究對象是納米尺度的生物大分子、細胞器的結構、功能和動態生物過程。納米生物學涉及的納米測量與性能表征技術可歸結為以下三個方面:(1)在 納米尺度上測量與表征生物大分子的結構和功能及其相互聯系;(2)在納米尺度上直接對生物大分子進行操縱和改性;(3)探測生物大分子在生命過程中的行為和功能, 在納米尺度上獲得生命信息。蛋白質和核酸這兩種生物大分子是千差萬別的生命現象中最本質而又高度一致的物質基礎, 因此, 蛋白質和核酸分子結構的納米測量、蛋白質和核酸分子結構與功能的關系表征, 成為納米生物測量技術研究的重點和關鍵。

關于納米尺度上的生物大分子結構的研究, 以前主要通過電子顯微鏡觀察和X 光晶體衍射等方法來實現, 但是它們各有局限之處, 電子顯微鏡要求有一定的真空干燥制樣條件, 而且在觀測中電子束對生物樣品有損傷;X 光晶體衍射方法要求樣品能夠結晶, 獲得的實驗結果是大范圍平均值, 而且需經模擬和計算才能得到高分辨的具體圖像。掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡和納米光鑷技術由于具有測量結果直觀和納米級精度等優點, 現在已成為研究生物大分子表面拓撲結構、研究單個生物大分子在生命過程中行為的有效工具。雖然對生物大分子結構的研究已有越來越精細的了解, 然而, 要在生物大分子水平上弄清楚它們在生命過程中的行為和功能, 這些方法仍有相當大的局限性。

納米生物學對納米測量技術提出的要求和挑戰是:(1)開發適合于對生物大分子在其自然條件下的測量方法, 更有利于對生物大分子結構和功能的精確認識, 而現在對生物大分子的結構和功能進行研究時, 一般要對樣品進行處理, 如將DNA 分子沉積在石墨或云母表面, 或者溶在一定液體中, 限制了對其進行準確的測試;(2)納米測量技術要實現動態研究單個生物大分子生理條件下的結構, 開展結構和功能關系的研究,而現在的測量技術僅局限于對生物大分子結構的靜態研究, 涉及結構和功能關系的研究甚少;(3)生物大分子運動學特性、動力學特性和電學特性等性能表征技術和方法;(4)探測單分子水平的生物信號是如何傳導的, 以揭示活細胞內分子—分子間生物信號傳導的動力學機制及生物學效應;(5)研究生物大分子間的相互作用和分子的合成;(6)測量與表征單個生物大分子在生命過程中的個體及其群聚集體的行為和功能, 認識生命過程的本質。

4、納米測量技術的發展機遇與展望

4.1、納米測量技術的發展機遇

納米測量技術的發展機遇納米科學技術的發展給納米測量技術提出了挑戰, 同時納米科學技術的新成果、新技術和新方法的不斷涌現以及新理論的建立, 又為納米測量技術提供了新的發展機遇和有效手段, 例如:(1)碳納米管具有精細的結構和優異的導電和力學特性, 因此可以用碳納米管作為掃描探針顯微鏡的探針, 探測金屬膜表面的結構、納米電子器件的電學特性。

(2)單電子晶體管可用于對極微弱電流的測量;基于單電子晶體管的納米探針可作為量子器件的電子輸運、量子導電效應的測量與性能表征。

(3)納米光鑷技術與掃描探針技術相結合, 具備精細的結構分辨能力和動態操控與功能研究的能力, 可用于在納米尺度上測量與表征生物大分子的結構和功能的關系, 探測研究在生物大分子水平上的生命信息。

(4)生物芯片具有集成、并行和快速檢測的優點,蛋白質生物芯片技術可以實現對蛋白質的探測、識別和純化, 基因生物芯片技術可以快速分析大量的基因信息, 從而獲得生命微觀活動的規律。

(5)生物大分子用于制作納米探針是一種全新的探針探測技術, 由于其具有高選擇性和高靈敏度被用來探測細胞物質、監控活細胞的蛋白質和其他生化物質, 還可探測基因表達和靶細胞的蛋白質生成等。

(6)一種用碳納米管制成的“納米秤”被用來測量納米顆粒、生物大分子的質量和生物醫學顆粒(如病毒), 可能導致一個納米質譜儀的產生。

4.2、納米測量技術的發展方向

納米測量技術面對的每一個挑戰和難點都是納米測量技術今后應重點突破的研究方向。針對國內納米測量技術已有基礎與現狀, 展望未來, 我國納米測量技術應在以下幾個方面予以重點研究:(1)、納米測量和性能表征新方法、新技術的研究。有三個重要的途徑: 一是創造新的納米測量技術, 建立新的理論、新方法;二是對現有納米測量技術進行改造、升級、完善, 使它們能適應納米測量的需要;三是多種不同的納米測量技術有機結合、取長補短, 使之能適應納米科學技術研究的需要。

(2)、納米測量的溯源問題, 即能按照米定義精確度量納米尺度, 建立納米科技標準。

(3)、大范圍超高精度、超高分辨率的納米測量技術研究。分析當前各種納米測量方法可知, 現有每種納米測量方法均存在不能同時實現高測量精度和大測量范圍這一矛盾。而實際應用中, 如集成電路芯片表面形貌的測量、光存儲和磁存儲大范圍信息位特征的納米測量、生物芯片性能表征技術等, 所有這些, 無不均要求在進行大范圍測量的同時保證納米或亞納米級的高測量精度和超高分辨率。

(4)、納米測量涉及的微操作技術研究。無論是對單個納米顆粒、單根碳納米管、單個單電子晶體管, 還是對單個DNA 生物大分子、單個細胞等進行納米測量與性能表征研究時, 都涉及對這些單一納米結構的探測、俘獲、夾持和移動等一系列微操作技術。因此, 開發對單一納米結構的微操作的新方法和技術是納米測量技術應重點解決的研究課題。

(5)、納米級運動技術的研究。納米級掃描微動工作臺為納米科學技術研究提供一維、二維或三維的納米級的微運動。在為納米測量技術和納米微操作技術研究提供小范圍(指一百微米以下)納米級微運動時, 最常見的是以PZT 作為驅動部件的柔性鉸鏈微動工作臺。然而, 要為納米測量技術和納米微操作技術研究提供大范圍(指毫米量級運動范圍)納米級精度的微運動時, 現有微動工作臺卻不能滿足要求。因此, 大范圍納米級精度的微動工作臺的研制是擺在納米測量與微操作技術面前的重要研究課題。

5、掃描隧道顯微鏡技術

5.1、納米科技與掃描隧道顯微鏡

中國科學院院士白春禮曾說:“人類進入納米科技時代的重要標志是納米器件的研制水平和應用程?！?，而掃描隧道顯微鏡測量技術的提高則可以顯著提高納米器件的研制水平，并促進納米制造技術的發展。掃描隧道顯微鏡技術是一門綜合技術，它隨著納米科技的發展而發展，為了能夠深入研究和改進這一技術，就必須對納米科技與掃描隧道顯微鏡的關系、掃描隧道顯微鏡的工作原理和掃描隧道顯微鏡的系統結構 等理論基礎知識有一個清楚的認識。

納米科學和技術是在納米尺度上(0.1-100nm之間)研究物質(包括原子、分子)的特性和相互作用，并且利用這些特性的多學科的高科技。其最終目的是直接以物質在納米尺度上表現出來的特性，制造具有特定功能的產品，實現生產方式的飛躍。納米科學大體包括納米電子學、納米機械學、納米材料學、納米生物學、納米光學、納米化學等領域。

人類僅僅用眼睛和雙手認識和改造世界是有限的，例如:人眼能夠直接分辨的最小間隔大約為0.07;人的雙手雖然靈巧，但不能對微小物體進行精確的控制和操縱。但是人類的思想及其創造性是無限的。1982年，IBM(國際商業機器)公司蘇黎世試驗室的葛·賓尼(Gerd BIImig)博士和?！ち_雷爾(Heinrich Rohre:)博士及其同事們共同研制成功了世界第一臺以物理學為基礎、集多種現代技術為一體的新型表面分析儀器—掃描隧道顯微鏡(Scanning Tunnelling Microscope，簡稱STM)。STM不僅具有很高的空間分辨率(橫向可達0.1nm，縱向優于0.01nm)，能直接觀察到物質表面的原子結構;而且還能對原子和分子進行操縱，從而將人類的主觀意愿施加于自然。STM使人類第一次能夠實時地觀察單個原子在物質表面的排列狀態和與表面電子行為有關的物理、化學性質。在表面科學、材料科學、生命科學等領域的研究中有著重大的意義和廣闊的前景，被國際科學界公認為二十世紀八十年代世界十大科技成就之一?？梢哉fSTM是人類眼睛和雙手的延伸，是人類智慧的結晶。

基于STM的基本原理，隨后又發展起來一系列掃描探針顯微鏡(SPM)。如:掃描力顯微鏡(SFM)、彈道電子發射顯微鏡(BEEM)、掃描近場光學顯微境(SNOM)等。這些新型顯微技術都是利用探針與樣品的特殊相互作用來探測表面或界面在納米尺度上表現出的物理性質和化學性質。

雖然納米科技的歷史可以追溯到三十多年前著名物理學家、諾貝爾獎獲得者理查德·費曼在美國物理年會上的一次富有遠見的報告，但是“納米科技”一詞還是近幾年才出現的，也正是SPM技術及其應用迅速發展的時期。第5屆國際STM會議與第1屆國際納米科技會議于1990年在美國同時召開不能不說明SPM與納米科技之間存在著必然聯系、SPM的相繼問世為納米科技的誕生與發展起了根本性的推動作用，而納米科技的發展也將為SPM的應用提供廣闊的天地。

納米科技是未來高科技的基礎，而科學儀器是科學研究中必不可少的試驗手段，STM及其相關儀器(SPM)必將在這場向納米科技進軍中發揮無法估量的作用。5.2、掃描隧道顯微鏡的工作原理

掃描隧道顯微鏡的工作原理是基于量子力學的隧道效應。對于經典物理學來說，當一個粒子的動能E低于前方勢壘的高度V。時，它不可能越過此勢壘，即透射系數等于零，粒子將完全被彈回。而按照量子力學的計算，在一般情況下，其透射系數不會等于零，也就是說，粒子可以穿過比它的能量更高的勢壘，這個現象稱為隧道效應如圖1.3所示

圖2 量子力學中的隧道效應示意圖

掃描隧道顯微鏡是將原子線度的極細探針和被研究物質的表面作為兩個電極，當樣品與針尖的距離非常接近時(通常小于1nm)，在外加電場的作用下，電子會穿過兩個電極之間的勢壘流向另一電極，形成隧道電流，其大小為:，式中Vb是加在針尖和樣品之間的偏置電壓，S為樣品與針尖的距離，Φ是平均功函數，A為常數，在真空條件下約等于1。

由上式可知，隧道電流強度對針尖和樣品之間的距離有著指數的依賴關系，當距離減小0.1nm，隧道電流即增加約一個數量級。因此，根據隧道電流的變化，我們可以得到樣品表面微小的高低起伏變化的信息，如果同時對X、Y方向進行掃描，就可以直接得到三維的樣品表面形貌圖。

根據隧道電流I和樣品與針尖距離S之間的關系，STM主要的工作模式有兩種:恒高模式和恒流模式。恒高模式是指保持隧道距離S不變而檢測隧道電流I的變化。恒流模式是指保持隧道電流I不變而檢測隧道距離S的變化。兩種工作模式的示意圖如圖1.4所示。

圖 3 STM的恒高和恒流兩種工作模式示意圖

5.3、掃描隧道顯微鏡的系統結構

STM儀器一般由STM頭部(含探針和樣品臺)、三維掃描控制器、電子學控制系統、減震系統和在線掃描控制及離線數據處理軟件等組成。系統結構如圖1.5所示。

圖4 STM系統結構圖

探針針尖的結構是掃描隧道顯微技術要解決的主要問題之一。針尖的大小、形狀和化學同一性不僅影響著掃描隧道顯微鏡圖像的分辨率和圖像的形狀，而且也影響著測定的電子態。如果針尖的尖端只有一個穩定的原子而不是有多重針尖，那么隧道電流就會很穩定，而且能夠獲得原子級分辨率的圖像。目前制備針尖的方法主要有電 化學腐蝕法(金屬鎢絲)、機械成型法(鉑一銥合金絲)等。由于鎢針尖能夠滿足STM儀器剛性的要求，因而被廣泛地使用。但由于鎢針尖在水溶液中或暴露在空氣中時，容易形成表面氧化物，因此在真空中使用前，最好在超高真空系統中進行蒸發，在空氣中使用前，通過退火或使用離子研磨技術中的濺射等方法除去針尖表面的氧化層。為了得到銳利的針尖，通常用電化學腐蝕法處理金屬鎢絲。與鎢相比，鉑材料雖軟，但不易被氧化，在鉑中加入少量銥(例如鉑銥的比例為80%:20%)形成的鉑銥合金絲，除保留了不易被氧化的特性外，其剛性也得到了增強，故現在大部分人使用鉑銥合金作為隧道針尖材料。為了得到銳利的針尖，通常對鉑銥合金絲就用剪刀剪切。

三維掃描控制器的作用是控制針尖在樣品表面進行高精度的掃描，用普通機械的控制是很難達到這一要求的。目前普遍使用壓電陶瓷材料作為X、Y、Z掃描控制器件，壓電陶瓷材料能以簡單的方式將1mV-1000V的電壓信號轉換成十幾分之一納米到幾微米的位移。

電子學控制系統使計算機控制步進電機的驅動，使探針逼近樣品，進入隧道區，而后不斷采集隧道電流，在恒電流模式中將隧道電流與設定值相比較，再通過反饋系統控制探針的進與退，保持隧道電流的穩定。

在線掃描控制及離線數據處理軟件主要用來控制STM的整個連續掃描過程以及測量數據的記錄顯示和后續處理，是整個系統的核心之一。

減震系統也很重要。由于儀器工作時針尖與樣品的間距一般小于Inm，同時隧道電流與隧道間隙成指數關系，因此任何微小的震動都會對儀器的穩定性產生影響。必須隔絕的兩種類型的擾動是震動和沖擊，其中震動隔絕是最主要的。

5.4、掃描隧道顯微鏡的優缺點

對于任何儀器來說，必然會既有優點也有缺點。與現有的其他表面分析技術相比，STM具有的如下獨特的優點：

(l)、具有原子級高分辨率，STM在平行和垂直于樣品表面方向上的分辨率分別可達0.Inm和0.olnm，即可以分辨出單個原子。

(2)、可實時地得到在實空間中表面的三維圖像，這種可實時觀察的性能可用于表面擴散等動態過程的研究。

(3)、可觀察單個原子層的局部表面結構，而不是對體相或整個表面的平均性質，因而可直接觀察到表面缺陷。

(4)、可在真空、大氣、常溫等不同環境下工作，甚至可將樣品浸在溶液中，并且探測過程對樣品無損傷。

(5)、配合掃描隧道譜STS(Scanning Tunneling Spectroscopy)可以得到有關表面電子結構的信息

如上所述，盡管STM具有諸多優點，但它的缺點也是顯而易見的主要有如下四點:(1)、能夠使用STM進行觀察表面形貌的首要條件是樣品必須具有一定程度的導電性，這是源于STM工作原理的缺陷，可以使用AFM彌補這一不足。

(2)、STM對工作環境要求非常高，普通STM只有在真空中測得的數據才具有較高的準確度，為普及推廣STM可通過改進STM的系統結構來適應大氣環境。

(3)、普通STM所測量范圍較小，一般在幾個微米內，也就無法測量表面形貌起伏波長為幾個微米或者更大的微納器件。

(4)、普通STM難以準確測量樣品表面上的溝槽，對具有高深一寬比結構的微納器件更加難以測量。

6、結束語

納米科學技術已成為本世紀世界各國競相發展的重點科學, 納米測量技術是從事納米科學技術研究的基礎與關鍵?！皼]有測量就沒有科學, 至少是沒有真正意義上的科學”——科學家門德列耶夫高度概括了測量在科學技術上的至關重要地位。納米科學技術的發展, 不僅給納米測量技術提出了挑戰, 而且也給納米測量技術的發展提供了機遇。同時, 納米測量技術的不斷發展和創新, 將給納米科學技術的發展提供全新的發展機遇, 納米測量技術上的突破, 無疑將導致納米科學技術研究水平的不斷提高。

第四篇：AES實驗報告-材料分析與表征

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《材料分析與表征》

俄歇電子能譜(AES)實驗報告

學院：材料學院

班級：xxx 姓名：xx 學號：xxxxxxxx 一．實驗目的

1.了解俄歇電子能譜的背景知識和基本原理； 2.了解俄歇電子能譜的基本實驗技術及其主要特點； 3.了解俄歇譜儀的基本結構和操作方法； 4.了解俄歇電子能譜在材料表面分析中的應用。

二．實驗原理

1.AES簡介

俄歇電子能譜，英文全稱為Auger Electron Spectroscopy，簡稱為AES，是材料表面化學成分分析、表面元素定性和半定量分析、元素深度分布分析及微區分析的一種有效的手段。俄歇電子能譜儀具有很高表面靈敏度，通過正確測定和解釋 AES 的特征能量、強度、峰位移、譜線形狀和寬度等信息，能直接或間接地獲得固體表面的組成、濃度、化學狀態等信息。

當原子的內層電子被激發形成空穴后，原子處于較高能量的激發態。這一狀態是不穩定的，它將自發躍遷到能量較低的狀態——退激發過程，存在兩種退激發過程：一種是以特征X射線形式向外輻射能量——輻射退激發；另一種通過原子內部的轉換過程把能量交給較外層的另一電子，使它克服結合能而向外發射——非輻射退激發過程(Auger過程)。向外輻射的電子稱為俄歇電子。其能量僅由相關能級決定，與原子激發狀態的形成原因無關，因而它具有“指紋”特征，可用來鑒定元素種類。

2.俄歇效應

處于基態的原子若用光子或電子沖擊激發使內層電子電離后，就在原子的芯能級上產生一個空穴。這一芯空穴導致外殼層收縮。這種情形從能量上看是不穩定的，并發生弛豫，K空穴被高能態L1的一個電子填充，剩余的能量(EK-EL1)用于釋放一個電子，即俄歇電子。如圖1所示。

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圖1 固體KLL俄歇作用過程示意圖[1]

俄歇過程是一三電子過程，終態原子雙電離。俄歇電子用原子中出現空穴的X射線能級符號次序表示，俄歇過程可以用圖2表示：

圖2 俄歇過程圖示

通常俄歇過程要求電離空穴與填充空穴的電子不在同一個主殼層內，即W≠X。若W=X≠Y，稱為C-K躍遷(Coster-Kronig躍遷)，(p>i)，如L1L2M；若

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W=X=Y 稱為超C-K躍遷，(p>i q>i)，如N5N6N6。

俄歇過程根據初態空位所在的主殼層能級的不同，可分為不同的系列，如K系列L系列，M系列等。同一系列中又可按參與過程的電子所在主殼層的不同分為不同的群，如K系列包含KLL、KLM、KMM等俄歇群。每一群又有間隔很近的若干條譜線組成，對于KLL俄歇系列，根據其終態，可以分為：KL1L1，KL1L2，KL1L3，KL2L2，KL2L3，KL3L3六種類型。因為，根據粒子的全同性，無法分辨KL3L1和KL1L3，以及KL2L3和KL3L2等。這樣，在俄歇譜上，表現為六根譜線。但這并不影響分析。因為俄歇分析主要利用主要的峰進行。不需要搞清楚每個小峰。而且商品儀器的分辨率也不高，但是在理論上有意義。

元素H和He是不能發生俄歇躍遷的。3.俄歇電子能量

用來作表面分析的俄歇電子的能量在0~2000 eV之間。俄歇譜儀是根據俄歇電子的能量來識別元素的，也就是說，俄歇電子的能量帶有元素本身的信息。所以，準確知道俄歇電子的能量很重要。實用上，俄歇電子能量可以準確查到，無需進行計算。例如：Perkin-Elmer公司的俄歇手冊上，對于每一種元素，有一張俄歇圖譜，表標明了主要俄歇峰的能量。

考慮孤立原子，假設原子序數為Z，躍遷為WiXpYq。有如下公式成立：

EWXY?EW?Z??EX?Z??EY?Z?

實際上，對于有空位的殼層，能級同充滿時有所不同。

'?EY?Z??EY?Z??EY?Z?1?'?EY?Z??EY?Z?????EY?Z?1??EY?Z???

?EWXY?EW?Z??EX?Z??EY?Z?????EY?Z?1??EY?Z???其中0

躍遷WiXpYq同躍遷為WiYpXq是同一種俄歇躍遷，無法分辨。則： WiXpYq躍遷：EWXY?EW?Z??EX?Z??EY?Z?????EY?Z?1??EY?Z??? WiYpXq躍遷：EWYX?EW?Z??EY?Z??EX?Z???'??EX?Z?1??EX?Z??? 因為EWXY(Z)＝EWYX(Z)，作為一種半經驗近似，可以取上述兩式的平均

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值作為俄歇電子的能量，并且取?＝??＝1。此時有：

11EWXY?Z??EWYX?Z??EW?Z???EZ?1?EZ?EY?Z?1??EY?Z??,??????XX????22這種估算結果和實際測量的結果很接近。

對于固體材料，如果不考慮涉及價帶的俄歇過程，則俄歇電子還要克服逸出功才能發射出去。因此，俄歇電子的能量為：

11EWXY?Z??EWYX?Z??EW?Z???EZ?1?EZ?EY?Z?1??EY?Z????s ??????XX????22?s是材料的逸出功,即費米能及至真空能級的能量差。

另外，由于從樣品中發射出去的俄歇電子，到達分析儀器后才能分析。由于兩者之間存在著接觸電位差，俄歇電子的能量還要損失： ?a-?s,其中?a為分析器材料的逸出功。所以，最終俄歇電子的能量為：

11EWXY?Z??EWYX?Z??EW?Z???EZ?1?EZ??????XX?2??EY?Z?1??EY?Z?????a 2?由于設備材料的逸出功已知，所以可以很容易的知道俄歇電子的能量。如果俄歇過程涉及到價帶，由于價帶有一定的寬度，則俄歇峰會變寬。原因是:設價帶的寬度是△Ev，當X，Y位于價帶頂與X，Y位于價帶底，則峰寬至少為2△Ev。

另外：H不可能發生俄歇過程，He一般也不能發生俄歇過程。Li的KLL俄歇過程其實就是KVV過程(V代表價帶)。

利用俄歇電子的能量可以定性判斷元素的種類。4.俄歇電流的計算

假設一次電子能量為Ep，束流為Ip。入射方向與固體表面垂直。假定能量分析器只能接受出射方向與表面法線方向夾角在????范圍內的電子。這樣的電子處于立體角?內。特作如下近似：

⑴ 只有深度在3?cos?范圍內產生的俄歇電子，才對俄歇電流有貢獻。在此區域內，Ep與Ip保持不變。ni表示表面i元素的單位體積原子數。

⑵ 俄歇電子的發射方向是各項同性的。能量分析器所接收的占方向總數的?/4?，近似等于能量分析器的傳輸率。

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IA???0??IP?QW?ni??PWXY????4?????Z?cos???edZ?I?Q?n?P??cos? PWiWXY?4??QW是電離截面。PWXY表示產生WiXpYq俄歇躍遷的幾率。Z是到表面的垂直距離。

上式中未考慮背散射電子的貢獻，因而是不準確的。一次電子轟擊材料的表面，會遇到彈性和非彈性散射。其中有的一次電子，經過一次或者多次散射后被散射回來。這就是背散射電子。假如背散射電子的能量大于EW，也能使得Wi能級的電子電離，促使俄歇躍遷發生。這樣，就增強了俄歇電流。定義B為“背散射增強因子”。

另外，表面粗糙度對俄歇電流也有影響。光滑表面比粗糙表面俄歇電流大。定義R為“表面粗糙度因子”，R一般不大于1。最后有：

??IA?B?R??sec???IPniPQWXYW??4????cos? ?入射角度與表面法線成?角。

5.俄歇電子能譜儀

在實用的俄歇譜儀(圖3和圖4)中，一次電子束的能量 Ep通常為3 keV~10 keV。用來分析的俄歇電子的能量一般在0~2000 eV左右。一般說來，對于原子序數低的原子，用KLL線；中等時用LMM線，高序數用MNN線，更高的用NOO線。

圖3俄歇電子能譜儀原理示意圖

三．實驗儀器及樣品的制備

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儀器名稱：AES電子能譜儀

儀器型號：美國 Physical Electronics, Inc公司生產, PHI-700型(如圖4)主要技術指標：

1．主真空室：5×10－10 Torr 2．SEM 解析度：<6 nm 3．分析能量解析度：<0.5% 4.分析深度：<0.5 nm 5.探測極限：1 at.‰

俄歇電子能譜儀要在高真空下工作。俄歇電子能譜儀的分析方法有：化學價態分析，微區分析，界面分析；實驗方法：點分析，深度剖析，線分析和面分析。俄歇電子能譜的應用主要包括以下方面，表面清潔、表面吸附和反應、表面擴散、薄膜厚度、界面擴散和結構、表面偏析，化學態分析、失效分析、材料缺陷、摩擦潤滑、催化劑和原位真空斷裂。俄歇電子能譜儀可以分析固體樣品和液體樣品，但固體樣品需要預處理；樣品必須保持潔凈、防止污染，需要碰樣品時必須戴上一次性手套；對于揮發性樣品、表面污染樣品及帶有微弱磁性的樣品需要進行預處理；樣品的尺寸不需要太大，只要宏觀肉眼可見即可[2]。

圖4 PHI-700型俄歇電子能譜儀結構示意圖

四．俄歇電子能譜在材料分析中的應用

俄歇電子能譜在材料表面分析中具有重要的應用，具體舉例如下： 1)材料失效分析。通過分析斷口的化學成分和元素分布，從而了解斷裂的原因。

2)表面元素定性分析。俄歇電子的能量僅與原子彈軌道能級有關，而與入

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射電子能量無關。AES技術可以對除 H、He以外的所有元素進行全分析。俄歇電子能譜的采樣深度很淺，一般金屬材料為 0.5~2.0 nm，有機物為 1.0~3.0 nm。

3)表面元素半定量分析。樣品表面出射俄歇電子強度與樣品中該原子的濃度有線性關系，利用該關系可以進行元素的半定量分析，但一般不能給出分析元素的絕對含量，僅能提供元素的相對含量。

4)表面元素價態分析。雖然俄歇電子的動能主要由元素的種類和躍遷軌道決定，但由于原子外層軌道電子的屏蔽效應，內層能級軌道和次外層軌道上電子結合能，在不同化學環境中不一樣，而有一些微小差異。

5)表面元素分布分析。通過面分析，可把某個元素在某一區域內的分布以圖像方式表示出來。把表面元素分布分析與俄歇化學效應結合起來，還可以獲得化學價態分布圖。

參考文獻

[1] 周玉, 武高輝編著.材料分析測試技術 [M].哈爾濱工業大學出版社, 1998 [2] 張錄平, 李暉, 劉亞平.俄歇電子能譜儀在材料分析中的應用 [J].分析儀器, 2009, 4.

第五篇：減水劑的性質與表征

一、固體含量

（按照GB/T-8077 2000《混凝土外加劑勻質性測試方法》）1.1方法提要

將已恒量的稱量瓶內放入被測試樣于一定的溫度下烘至恒量 1.2儀器

a.天平不應低于四級,精確至0.0001g;b.鼓風電熱恒溫干燥箱:溫度范圍0℃～200℃ c.帶蓋稱量瓶:25mm×65mm； d．干燥器：內盛變色硅膠 1.3試驗步驟

1.3.1將潔凈帶蓋稱量瓶放入烘箱內，,100℃～105℃烘30min,取出置于干燥器內,冷卻30min后稱量,重復上述步驟直至恒量,其質量為m0 1.3.2將被測試樣裝入已經恒量的稱量瓶內,蓋上蓋稱出試樣及稱量瓶的總質量為m1.試樣稱量:固體產品1.000g～2.000g;液體產品3.0000g～5.000g.1.3.3將盛有試樣的稱量瓶放入烘箱內開啟瓶蓋升溫至100℃～105℃(特殊品種除外)烘干,蓋上蓋置于干燥器內冷卻30min后稱量重復上述步驟直至恒量其質量為 1.4結果表示 固體含量X固按下式計算：

m2-m0?100 m1-m0

X固?式中：X固——固體含量，%； m0——稱量瓶的質量，g；

m1——稱量瓶加樣的質量，g；

m2——稱量瓶加烘干后試樣的質量，g。1.5允許差

室內允許差為0.3%； 室間允許差為0.50%。

二、水泥凈漿流動度

（參照混凝土減水劑質量標準和試驗方法JGJ56-84）

1、方法提要

在水泥凈漿攪拌機中,加入一定量的水泥,外加劑和水進行攪拌.將攪拌好的凈漿注入截錐圓模內,提起截錐圓模,測定水泥凈漿在玻璃平面上自由流淌的最大直徑.2、儀器

a.水泥凈漿攪拌機;b.截錐圓模:上口直徑36mm,下口直徑60mm,高度為60mm,內壁光滑無接縫的金屬制品;c.玻璃板:400mm?400mm?5mm;d.秒表;e.鋼直尺:300mm;f.刮刀;g.藥物天平:稱量100g,分度值0.1g;h.藥物天平:稱量1000g,分度值1g.3、試驗步驟

3.1將玻璃板放置在水平位置,用濕布擦抹玻璃板,截錐圓模,攪拌器及攪拌鍋,使其表面濕而不帶水漬.將截錐圓模放在玻璃板的中央,并用濕布覆蓋待用.3.2稱取水泥300g,倒入攪拌鍋內,加入推薦摻量的外加劑及87g或 105g水,攪拌3min.3.3將拌好的凈漿迅速注入截錐圓模內,用刮刀刮平,將截錐圓模按垂直方向提起,同時開啟秒表計時,任水泥凈漿在玻璃板上流動,至30s,用直尺量取流淌部分相互垂直的兩個方向的最大直徑,取平均值作為水泥凈漿流動度.4、結果表示

表示凈漿流動度時,需注明用水量,所用水泥的強度等級標號、名稱、型號及生產廠和外加劑摻量。

5、允許差 室內允許差為5mm； 室間允許差為10mm。

6、測試摻量對凈漿流動度的影響

三、減水率

（參照混凝土減水劑質量標準和試驗方法JGJ56-84）

1、凈漿減水率 1.1儀器設備

a.軟練水泥凈漿攪拌機;b.跳桌(附5mm厚玻璃板);c.截錐圓模:上口直徑為65mm,下口直徑為75mm,高為40mm;d.刮刀、搗棒和游標卡尺或鋼直尺（300mm）1.2試驗步驟

1.2.1將截錐模置于附有玻璃板的跳桌上.（預先用濕布擦過，并用濕布覆蓋）。

1.2.2稱取水泥400g，放入濕布擦過的攪拌鍋內，加水攪拌加入的水量使基準水泥凈漿擴散度達140～150mm。攪拌三分鐘，迅速裝入截錐模內，稍加插搗趕出氣泡，并抹平表面，將截錐模垂直向上提起以每秒一次的速度使跳桌跳動三十次，然后量取互相垂直的兩直徑，取兩個數的平均值，當擴散度為140～150mm時的用水量為基準水泥凈漿用水量（W0）。

1.2.3再稱取水泥400g，以同樣的方法測定摻減水劑后水泥凈漿擴散度為140～150mm時的用水量即為減水后水泥凈漿用水量W1。1.3試驗結果處理

凈漿減水率按下式計算 凈漿減水率（%）=

W0?W1?100 W0式中W0——基準水泥凈漿擴散度為140～150mm時的用水量（g）；

W1——摻減水劑后水泥凈漿擴散度為140～150mm時的用水量（g）。

減水率值取三個試樣的算術平均值。

2、混凝土減水率 2.1儀器設備 a．坍落度筒； b．搗棒；

c．小鏟、鋼板尺、抹刀等。2.2試驗步驟

2.2.1測定基準混凝土的塌落度，記錄達到該塌落度時的單位用水量（W0）。

2.2.2在水泥用量相同，水泥、砂、石比例保持不變的條件下，測定摻減水劑的混凝土達到與基準混凝土相同塌落度時的單位用水量（W1）。

2.2.3試驗結果處理 減水率按（1）式計算：

減水率（%）?W0?W1W0?100

式中 W0---基準混凝土單位用水量（kg/m3）;W1---摻減水劑的混凝土單位用水量（kg/m3）.四.泌水率

（參照混凝土減水劑質量標準和試驗方法JGJ56-84）

1、儀器設備

a.容重筒:取內徑18.5cm,高20cm,容積為5升的容重筒,帶蓋(或玻璃板);b.磅稱:稱量50kg、感量50g； c．具塞量筒100mL； d．其它：吸液管、定時鐘、鐵鏟、搗棒及抹刀等。

2、試驗步驟

2.1容重筒用濕布潤濕，稱重G0；

2.2將混凝土拌合物一次裝入筒中，在振動臺上振動二十秒，然后用抹刀將頂面輕輕抹平，試樣表面比筒口邊低2cm左右。

2.3將筒外壁及邊緣擦凈，稱出筒及試樣的總重G1，然后將筒靜置于地上，加蓋，以防止水分蒸發。

2.4自抹面開始計算時間，前60分鐘每隔10分鐘用吸液管吸出泌水一次，以后每隔20分鐘吸水一次，直至連續三次無泌水為止。吸出的水注入量筒中，讀出每次吸出水的累計值，準確至毫升。

2.5每次吸出泌水前5分鐘，應將筒底一側墊高約2厘米，使筒傾斜，便于吸出泌水，取出泌水后仍將筒輕輕放平蓋好。

3、試驗結果處理

泌水率按下式計算：

B（%）=

Vw?100（2）

(W/G)GwGw?G1?G0

式中 B---泌水率（%）；

Vw---泌水總量（g）；

W---混凝土拌合物的用水量（g）； G---混凝土拌合物的總重量（g）；

Gw---試樣重量（g）； G0---筒重（g）。泌水率值取三個試樣的算術平均值。如其中一個與平均 值之差大于平均值的20%時，則取二個相近結果的平均值。

泌水率比按下式計算： 泌水率比=

摻減水劑的混凝土泌水率（3）

基準混凝土泌水率

五、凝結時間（貫入阻力法）

（參照混凝土減水劑質量標準和試驗方法JGJ56-84）

1、儀器設備

a．貫入阻力儀：最大負荷為120kg，精度0.5kg，附有可拆裝的貫入度試針兩個。其斷面積分別為1cm2和0.2cm2.b．砂漿容器：容器要求堅實，不透水、不吸水、無油漬，截面為圓形或方形，直徑或邊長為15cm，高度為15cm。c．吸管。

d．篩子：孔徑為5mm。e．計時鐘。

2、試驗步驟 2.1試驗步驟

a．將混凝土拌合物通過5mm篩，振動篩出的砂漿裝在經表面濕潤的塑料盆內。

b．充分拌勻篩出砂漿，裝入砂漿容器內，在震動臺上震2～3秒鐘，置于20?2℃室溫條件下。2.2貫入阻力測試 a．在初次測試貫入阻力前，清除試樣表面的泌水，然后測定貫入阻力值，先用斷面為1cm2的貫入度試針，將試針的支承面與砂漿表面接觸，在10秒鐘內緩慢而均勻地垂直壓入砂漿內部2.5cm深度，記錄所需的壓力和時間（從水泥與水接觸開始計算），貫入阻力值達3.5N/mm2（?35kgf/cm2）以后，換用斷面為0.2的貫入度試針，每次測點應避開前一次的測試孔，其凈距為試針直徑的2倍，至少不小于1.5cm，試針距容器邊緣不小于2.5cm。

b．在20?2℃條件下，普通混凝土貫入阻力初次測試一般在成型后3～4小時開始，以后每隔1小時測定一次。摻早強型減水劑的混凝土一般在成型后1～2小時開始，以后每隔半小時測定一次，摻緩凝型減水劑的混凝土，初測可推遲到成型后4～6小時或更多以后每隔1小時進行一次，直至貫入阻力略大于28N/mm2（?280kgf/cm2）.3、試驗結果處理

3.1貫入阻力按（4）式計算

PAP貫入阻力=（kg/cm2）

A貫入阻力=?10?1（N/mm2）（4）

式中 P---貫入深度達2.5cm時所需的凈壓力（kg）；

A---貫入度試針斷面面積（cm2）。

3.2以貫入阻力為縱坐標，測試時間為橫坐標，繪制貫入阻力與時間關系曲線。3.3以3.5N/mm2（?35kgf/cm2）和28 N/mm2（?280kgf/cm2）劃兩條平行橫坐標的直線，直線與曲線交點的橫坐標值即為初凝和終凝時間。3.4試驗精度

試驗應固定人員及儀器，每盤混凝土拌合物取一個試樣，三個試樣為一組，凝結時間取三個試樣的平均值，試驗誤差值應不大于平均值的?30分鐘，如不符合要求應重做。

六、抗壓強度試驗

（參照混凝土減水劑質量標準和試驗方法JGJ56-84）

1、立方體抗壓強度試驗步驟應按下列方法進行: ①試件從養護地點取出后應及時進行試驗，將試件表面與上下承壓板面擦干凈。

②將試件安放在試驗機的下壓板或墊板上，試件的承壓面應與成型時的頂面垂直。試件的中心應與試驗機下壓板中心對準，開動試驗機，當上壓板與試件或鋼墊板接近時，調整球座，使接觸均衡。③在試驗過程中應連續均勻地加荷，混凝土強度等級

2、立方體抗壓強度試驗結果計算及確定按下列方法進行： 2.1混凝土立方體抗壓強度應按下式計算： f?F A式中 f——混凝土立方體試件抗壓強度（MPa）； F——試件破壞荷載（N）； A——試件承壓面積（mm2）。

混凝土立方體抗壓強度計算應精確至0.1MPa。2.2強度值的確定應符合下列規定：

①三個試件測值的算術平均值作為該組試件的強度值（精確至0.1MPa）；

②三個測值中的最大值或最小值中如有一個與中間值的差值超過中間值的15%時，則把最大及最小值一并舍除，取中間值作為該組試件的抗壓強度值；

③如最大值和最小值與中間值的差均超過中間值的15%，則該組試件的試驗結果無效。

2.3混凝土強度等級＜Ｃ６０時，用非標準試件測得的強度值,均應乘以尺寸換算系數，其值為對200mm?200mm?200mm試件為對1.05；對100mm?100mm?100mm試件為0.95.當混凝土強度等級≥C60時，宜采用標準試件；使用非標準試件時，尺寸換算系數應由試驗確定。

七、抗滲性能試驗

（參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法GBJ82-85》）1.本方法適用于測定硬化后混凝土的抗滲標號。2.抗滲性能試驗應采用頂面直徑為175mm，底面直徑為185mm，高度為150mm的圓臺體或直徑與高度均為150mm的圓柱體試件（視抗滲設備要求而定）。

抗滲試件以6個為一組。

試件成型后24h拆模，用鋼絲刷刷去兩端面水泥漿膜，然后送入標準養護室養護。試件一般養護至28d齡期進行試驗，如有特殊要求，可在其它齡期進行。

1.混凝土抗滲性能試驗所用設備應符合下列規定：

（1）混凝土抗滲儀 應能使水壓按規定的制度穩定地作用在試件上的裝置。

（2）加壓裝置 螺旋或其它形式，其壓力以能把試件壓入試件套內為宜。

2.混凝土抗滲性能試驗應按下列步驟進行

（1）試件養護至試驗前一天取出，將表面晾干，然后再其側面涂一層熔化的密封材料，隨即在螺旋或其它加壓裝置上，將試件壓入經烘箱預熱過得試件套中，稍冷卻后，即可解除壓力，連同試件套裝在抗滲儀上進行試驗。

（2）試驗從水壓為0.1MPa（1kgf/cm2）開始。以后每隔8h增加水壓0.1Mpa（1kgf/cm2），并且要隨時注意觀察試件端面的滲水情況。（3）當6個試件中有3個試件端面呈有滲水現象時，即可停止試驗，記下當時的水壓。（4）在試驗過程中，如發現水從試件周邊滲出，則應停止試驗，重新密封。

混凝土的抗滲標號以每組6個試件中4個試件未出現滲水時的最大壓力計算，其計算式為：

S = 10H – 1 式中

S———抗滲標號；

H———6個試件中3個滲水時的水壓力（Mpa）。

八、分子量的測定（凝膠色譜法）

1、簡介

分子量及分子量分布是高分子材料最基本的結構參數之一，聚合物的基本性質是分子量的多分散性，聚合物的性質與其分子量分布密切相關，因此平均分子量及分子量分布對減水劑的性能影響很大。測量分子量方法很多，有溶液滲透壓法，沸點升高法、冰點降低法測數均分子量，還有根據溶液的光散射能力與體系大分子質量有關方法測重均分子量；依據溶液的粘度與體系分子數目、分子大小及分子形態有關，可以測粘均分子量及分子尺寸。聚合物是分子量不均一的分子，用平均分子量與分子量分布可以表征一個多分散體系不同分子量分子的相對含量，質譜和凝膠色譜方法是使用現代儀器快速、準確檢測的較常用方法，質譜法主要通過聚合物分子降解方法推斷相對分子量和確定分子式，凝膠色譜方法則依據聚合物溶液中溶質分子大小不同分離。

凝膠色譜方法以溶劑作為流動相，以多孔性填料作為分離介質的柱色譜，是目前表征聚合物平均分子量和分子量分布最有效的手段之一。當溶劑以一定的速度流過色譜柱，不同大小的分子以不同的速度通過柱子而得到分離，最大的溶質分子首先流出，最小溶質分子最后流出，流出體積等于填料之間的空隙。

凝膠滲透色譜圖是用檢測器獲得流出曲線，通過縱坐標記錄洗提液與純溶劑折光指數差值，相當于洗提溶液的相對濃度，以橫坐標記錄洗提體積，因此，洗提體積大時溶質分子則較小，反之亦然。非水溶性凝膠滲透色譜法，樣品經過異丙醇沉淀、丙酮脫水處理，消除溶解在水中的部分小分子，而水溶性凝膠滲透色譜法(GPC)可以直接測定水溶性聚合物的分子量，如對聚氧化乙烯基醚的分子量測定等。聚羧酸系減水劑為水體系聚合物，必須使用水作流動相進行檢測，檢測減水劑聚合物的平均分子量與分子量分布。

最常見的幾種平均分子量表示方法為數均分子量Mn、重均分子量Mw、Z 均分子量Mz、Z＋1 均分子量Mz＋

1、粘均分子量Mp 等，除粘均分子量通過粘度與分子量的經驗公式求出外，其它分子量的定義相似，如在一個多分散體系中有許多不同分子量的組分，假如分子量為M1、M2、M3…Mi 的各組分，各有N1、N2 …Ni的摩爾數量，則：

大分子的多分散性常以分布曲線和多分散指數等兩種方式表示。凝膠色譜的積分分布曲線為累計重量分布函數；從微分分布曲線可以直觀地看出聚合物分子量分布狀況。Mw/Mn 比值作為多分散指數，可以根據分子量分布計算相對分散指數。

2、樣品制備與GPC 儀器設備(1)樣品制備

由于聚羧酸系減水劑的分子結構中有大量的離子型基團，減水劑與常用的有機溶劑三氯甲烷、四氫呋喃、異丙醇等不能相溶，即使經過異丙醇、丙酮等多次分離沉淀再真空脫水處理，制得的樣品很難與三氯甲烷、四氫呋喃等有機溶劑完全相溶，所以不能使用三氯甲烷、四氫呋喃作溶劑體系的GPC 方法測新型減水劑MPC 的分子量和分子量分布；用水溶性凝膠滲透色譜法（GPC 方法）可以準確測定聚羧酸系減水劑的分子量，對樣品的制備要求較低。本試驗直接使用標準型MPC-

1、緩凝型MPC-2 進行干燥，在60℃條件下烘干得到濃縮干燥樣品，基本上保持原有減水劑的分子量分布特點。(2)水相體系GPC 法的有關儀器設備

儀器設備為美國Waters 510/Milenium 2010 及Waters 600E/M32 分析/半制備系統，型號為510×2-996-410，采用Waters 公司生產的凝膠色譜柱，流動相為水相體系，主要規格及技術指標如下：600E 四元梯度泵，流速范圍0.1～19.9ml/min；510 注射泵，流速范圍0.1～9.9ml/min；996 二極管陣列檢測器，檢測波長范圍190～800nm。通過996 二級管陣列檢測器同時進行多波長檢測，在190～800nm 之間快速掃描，可以獲得三維色譜光譜流出曲線，三維圖象分別以時間、波長和吸收值為坐標，分析結果通過使用M32 軟件對三維譜圖進行光譜或色譜的各種運算獲得。

3、檢測結果與分析

九、紅外吸收光譜測量

1、簡介

紅外光照射物質時，物質分子吸收一部分光能使分子的振動和轉動狀態的變化，而產生的吸收譜帶，則簡稱為紅外光譜（IR）。紅外光譜通常以波長或波數為橫坐標，吸收度或百分透過率為縱坐標，譜圖中反映整個分子的結構特征，不同化合物都有不同的譜圖，結構中不同官能團的存在則產生對應的特征譜帶，是有機化學研究中最常用的方法之一。根據紅外光譜推測結構，紅外光譜可以分為特征官能團區（4000～1350 cm-1）和指紋區（1350～600 cm-1），官能團區包括O-H、N-H、C-H、C=O、C=N 等的伸縮振動，指紋區則為C-O、C-N與C-X 等彎曲振動，-OH、–NH2 和–C=O-等振動可以在紅外光譜圖的高能端（1350～3600cm-1）找到。在官能團區一般分為4000～2500 cm-

1、2500～2000 cm-1和2000～1337 cm-1 等三個頻率；指紋區分為1333～900 cm-1 和900～600 cm-1 兩頻率。有關官能團吸收峰數據，如下表，具體分析如下：①4000～2500cm-1 存在含氫原子的官能團伸縮振動，如OH（3700～3200 cm-1）、COOH（3600~2500cm-1）、NH（3500~3300 cm-1）；烯氫、芳氫（3100～3000 cm-1）、C-H（3000 cm-1）；甲基、亞甲基（2950～2850 cm-1）等吸收峰。② 2500～2000 cm-1 吸收峰表征C=-C或C=-N 等三鍵存在。③2000～1337 cm-1 存在含雙鍵的化合物：酸酐、酰鹵、酯、醛、酮、羧酸、酰胺、醌、羧酸離子的C=O 伸縮振動大致按上述順序由高到低出現在1870～1600 cm-1 區，并且都是強峰；C=C、C=N、N=O 及烯芳含氮雜環硝基化合物也在這一區域，一般在1600 cm-1 以下，C=C 若對稱結構則吸收峰極弱。④ 1333～900 cm-1 存在包括C-O、C-N、C-F、C-P 等單鍵的伸縮振動吸收和C=S、S=O、P=O 等雙鍵伸縮振動吸收以及C(CH3)

3、RCH=CH2 和RCH=CHR’的骨架變形振動，這一吸收區域反應化合物本身特征性，稱為指紋區。⑤900～600 cm-1 可指示（CH2）4 的存在及雙鍵和苯環的取代位置、取代程度及構型等。

表3－2 不同官能團的吸收峰位置

基團 化合物類型 吸收頻率范圍cm-1 基團 化合物類型 吸收頻率范圍cm-1 O-H 醇 3200-3600 C=C 烯 1600～1680 羧酸 3000～3500 芳香烴 1400～1600 N-H 胺 3300～3500 C=O 醛 1720～1740 C-H 烷烴 2850～3000 酮 1705～1715 烯烴 3020～3080 羧酸 1700～1750 芳香烴 3000～3100 酯 1725～1730 醛基 2700～2800 酰胺 1640～1700

2、試驗儀器與樣品制備 試驗使用Perkin-Elmer 公司生產的儀器富里葉變換紅外和拉曼光譜儀，儀器型號為Spectrum GX，或采用Nicolet 公司的20SXB 型傅立葉紅外光譜儀測定。

樣品為各種單體材料和不同的聚羧酸系減水劑，測試樣品根據實際情況選擇不同制樣方法。無水液體試樣直接加一滴在鹽片（大約直徑25，厚度5）上制成薄膜，用同樣板片蓋上，放在測試支架上測定板間薄膜的光譜；固體樣品采用壓片法，1 份試樣與20 份溴化鉀碾磨，在室溫和真空下用210MPa 壓力成型直徑10mm,厚度1～2mm 的壓片，壓片成型為晶片；對于能夠溶解于揮發性有機溶劑的固體樣品，采用溶劑溶解法，滴加在測量鹽片上干燥成膜再測試；聚羧酸系減水劑水溶液樣品，先經過異丙醇、丙酮的沉淀和分離，在攪拌下將聚合物溶液（最多含5％聚合物）傾入到過量的(4～10 倍量)溶劑中，重復沉淀。在60℃濃縮一定時間后再真空抽濾，盡可能除去水份，因為在3300 及1640 cm-1處水有強的吸收，另外還影響鹽基片的穩定性，應加熱軟化后涂抹在氯化鈉鹽片。制樣的濃度和厚度最好使百分透過率或吸收度在20～60％范圍內，基線在90～95％，最強的吸收譜帶在1～20％之間。

3、試驗結果討論

紅外譜圖反映整個分子結構中有不同的官能團存在的特征，不同化合物都有不同的紅外光譜。因此可以通過光譜分析，了解聚羧酸系減水劑不同原材料及減水劑本身分子結構的不同官能團特征。

十、吸附量測定（紫外光譜）

1、簡介

紫外－可見吸收光譜是分子吸收紫外－可見光區100～800nm 的電磁波而產生的吸收光譜，簡稱紫外光譜（UV）。由于近紫外區的光譜涉及絕大多數有機分子的共扼價電子能量躍遷范圍，因此對分子結構鑒定十分重要。通常有機化合物的價電子包括成鍵的σ－電子、成鍵的π－電子和非鍵電子，可能發生σ→ σ*、π→ π*、n →σ*、n →π*等躍遷。紫外光譜以吸收波長對吸收強度作圖得到吸收曲線，根據吸收波長及峰的強弱可以估計共扼鍵的類型；由于吸光度與樣品的濃度成正比，紫外光譜可用于鑒定聚合物溶液的濃度。

lgI0A?A?abc

a? Ibc式中，I0：入射光強度，I：透射光強度，A：吸光度，a：吸光系數，b：樣品池寬度，c：樣品濃度。

2、試驗儀器與樣品制備

試驗使用UV2100 紫外－可見分光光度計（UV），波長范圍190-850nm，對新聚羧酸高效減水劑作紫外光譜試驗。定性試驗則可以控制吸收譜帶的最大吸光度在5.5 以內，為測水泥漿中減水劑的吸附率，需要標定樣品的濃度，在譜圖中控制吸收譜帶的最大吸光度在0.3～1.0 內，則可準確定量試驗樣品的濃度。

用50 mL 容量瓶分別準確配制一定濃度減水劑溶液作為原液, 分別準確稱取8 g水泥放到50mL的燒杯中, 取32mL 不同濃度的減水劑溶液加入燒杯中, 混合搖勻3m in, 靜置一定時間, 使其達到吸附平衡, 取上層清液, 用LDZ4-018A型臺式離心機分離10m in(4000 r /m in),稀釋分離液。用UV-2100紫外分光光度計測定其濃度, 根據前后溶液的濃度差計算吸附量。

3、試驗結果與討論

十一、ζ電位的測量

1、儀器： JS94H2 電泳儀

2、水泥漿體的ζ電位測定

將減水劑配成0.2%、0.4%、0.6% 和0.8% 的水溶液, 然后將水泥摻入溶液中, W/ C 為100, 取懸浮液測水泥顆粒的ζ電位;按照GB/ T 1346-2001 測定水泥凝結時間, 在不同時間取相同質量的水泥漿, 分散于一定質量的去離子水中, W/ C 約為100, 測水泥粒子的電ζ位。

3、分析不同摻量聚羧酸系減水劑對水泥顆粒表面電位ζ的影響：

得到某個摻量下的減水劑溶液可以補充吸附于水泥粒子的表面, 維持較低的電位ζ，則表明該減水劑分子與水泥粒子相容性較好, 飽和吸附量較高。