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1、奈米材料之檢測與分析,2,奈米材料之檢測分析項目,微結構/微成分檢測 物理/化學性質檢測 產業關鍵功能檢測等技術,3,微結構微成分檢測分析設備,檢測與分析所使用的設備 二次離子質譜儀(SI-MS) 二次中性原子質譜儀(SN-MS) 感應耦合電漿質譜儀(ICP-MS) 場發射掃描式電子顯微鏡(FE-SEM) 場發射穿透式電子顯微鏡(FE-STEM)。,4,材料檢測與分析儀器的分析檢測能力比較,奈米材料粒徑檢測分析,6,粒徑之定義,對於規則的球狀及近似球型或等軸狀顆粒，其上兩點間距離最大者定義為其粒徑。 至於形狀不對稱的奈米粉粒，依據量測顆粒粒徑之方法的不同，通常有下列四種粒徑定義：1.幾何粒徑
2、；2.當量粒徑 ；3.比表面積粒徑 ；4.折射粒徑,7,幾何粒徑,根據不同幾何形狀之顆粒的最大投影面積，將此面積轉換成相同的圓，此圓之直徑即為幾何學粒徑。,8,當量粒徑,利用沈降法、離心法、或水力學法測得的粉末粒徑。例如，與奈米顆粒具有相同之沈降終端速度之同質球形顆粒，其直徑即為該奈米顆粒的當量直徑。,9,比表面積粒徑,利用吸附法(最常用)、透析法、和潤濕熱法先測定粉末的比表面積，再換算成具有相同比表面積的均勻球形顆粒的直徑。其計算公式為：其中，ds為比表面粒徑，為測試樣品微粒的密度，為測試樣品的體積，m為測試樣品材料的密度，為測試樣品的微粒總表面面積。,10,折射粒徑,當粒徑與電磁波或光波的
3、波長接近時，由電磁波(例如X射線)照射奈米粉末會產生折射，根據此折射現象所測得的粒徑稱為折射粒徑。,11,顆粒粒徑之測定方法,12,物理吸附與化學吸附之比較,13,BET多層氣體吸附,BET(Brunauer, Emmett, 與Teller)多層氣體吸附法是固體比表面積測定時常使用的方法。這種方式通常有兩種： 容量法就是測定已知量的氣體在吸附前後的體積差，進而得到氣體之吸附量的吸附測定方法。 重量法是測定固體吸附前後的重量差，再計算氣體之被吸附量的吸附測定方法。這種方法比容量法準確。兩種方法都需要高真空和進行嚴格的預先脫氣處理。用BET法來測定比表面積時，控制測定準度的主要因素為顆粒的形狀和
4、缺陷，如氣孔、裂縫等，這些會造成量測結果呈現負偏差。,奈米材料電學性質檢測與分析,15,奈米材料之主要電學特性檢測項目,奈米材料之檢測與分析中的電學性質主要就是包括： 電阻與電導 介電性 壓電性及表面阻抗/體積阻抗量測。,16,奈米晶鈀(Pd)之電阻反常的原因,奈米晶粒之侷限效應使大量電子只能被侷限在小晶粒範圍內運動，晶粒原子排列愈混亂，晶界厚度愈大，其對電子的散射能力就愈強，界面的這種高能障(energy barrier)是造成電阻升高的原因。 當粒徑小至臨界尺寸以下時，相對於晶內組元，晶界組元對電子的散射更佔優勢，起了主導的作用，電阻與溫度的關係及電阻溫度係數的變化都明顯偏離常規晶粒的情況
5、，甚至出現反常的現象。,17,奈米材料之介電特性,奈米材料在結構上與常規塊材存在著很大的差異，其介電特性有其獨特的性能，主要表現在介電常數(dielectric constant)和介電損耗(dielectric loss)對顆粒尺寸的強烈依存關係，及電場頻率對介電行為之極強的影響。,18,介電常數(dielectric constant),材料之電荷密度(charge density；C/m2)與外加電場強度E(electrical field strength；V/m)的比例常數即為材料之介電常數(dielectric constant ；electric permittivity)，其關
6、係式為：D=E,19,介電損耗(dielectric loss),外加電場存在下由於極化過程造成電能轉變為熱的能量損失稱為介電損耗(dielectric loss)。,20,介電損耗(dielectric loss),介電損耗(dielectric loss)通常以損失正切(loss tangent)或稱損失因子(loss factor) tan表示，其定義為：tan=其中， 和 分別為複數介電常數 的實部和虛部。,21,壓電效應,某些晶體當其受到機械作用(應力或應變)時，在其兩端會出現符號相反的束縛電荷，此種現象為之壓電效應(piezoelectric effect)。壓電效應的字首piez
7、o-來自於希臘字，意為壓力(pressure) 。,22,壓電效應的成因,早在1894年，歐伊葛(Voigt)就指出，只有非中心對稱晶格形成的晶體才可能具有壓電效應。 雖然至今對於壓電效應之微觀理論研究尚有許多問題無法與實驗結果一致，但實質上，它是由晶體介質的極化引起的。 壓電材料是對機械壓力產生電學回應的一種現象。 反過來，若將此種能力逆向操作，即外加電壓於此等材料上，則材料會產生機械應變，稱之為逆壓電效應(anti-piezoelectric effect)。 具有壓電效應的物體稱之為壓電體。,23,奈米材料之主要電學特性檢測儀器,奈米材料電學性質之檢測與分析的主要儀器有： 數位式三用電表
8、：交直流電壓和電流、電阻、以及二極體測試。 高阻計：電絕緣性質的測試。 四點探針：材料表面電阻測試。 MIS元件(Metal Insulator Semiconductor)：用以測量諸如介電常數、臨界電壓(threshold voltage)、載子濃度、絕緣層的厚度、絕緣層的電容等等。 掃描探針顯微鏡(SPM)主要的量測設備。,奈米材料磁學性質檢測與分析,25,材料的磁學性能,材料的磁學性能與其成分、結構、及狀態等有關。一些磁學性能如磁化強度(magnetization) 、磁化率(susceptibility)等，與材料的晶粒大小、形狀、第二相分佈及缺陷密切相關；而另一些磁學性能如飽和磁化
9、強度(saturation magnetization)、居里溫度(Curie temperature)等，則與材料中的相及其數量有關。,26,奈米材料磁學特性檢測的主要項目,奈米材料與其常規塊材在結構上，特別是在磁結構上有很大的差別，因此，在磁性方面會有其獨特的性能。除了磁結構與磁化特點之不同外，奈米微粒的主要磁學特性分述如下： 磁性轉變與超順磁性(super paramagnetism) 矯頑磁力(coercive force) 居里溫度 (Curie temperature) 磁化率 (susceptibility),27,尼爾溫度(Nel temperature),表示某些金屬、合金、
10、和鹽類磁性質的特徵溫度(臨界溫度)，在此溫度以下，物質有自發的非平行磁序，因而具有反鐵磁性(anti-ferromagnetism)；而在此溫度以上，物質轉為順磁性(paramagnetism)。尼爾溫度Tn是由原子之最鄰近配位數、原子間距、以及最鄰近之原子的種類所決定的。,28,磁化率 (susceptibility),材料之磁化強度(intensity of magnetization) 與磁場強度(magnetic field strength)之比值；當此二物理量不在同一方向時，這個比值為一張量；反之，則是一簡單的數。,29,矯頑磁力(coercive force),材在外加磁場(ma
11、gnetic field)下產生磁化，欲使其磁化強度(intensity of magnetization)降為零所需施加之反向磁場強度(magnetic field strength)。,30,奈米微粒之矯頑磁力(coercive force),在粒徑大於超順磁之臨界尺寸前，奈米微粒隨著尺寸之縮小其矯頑磁力(coercive force)則反而增加。關於這種現象，有兩種解釋： 小尺寸使得每一微粒基本上形成一個單磁域(single magnetic domain)，每個單磁域奈米微粒儼然像是一個永久磁鐵(permanent magnet)，若欲使每個微粒貢獻形成的整體磁矩(magnetic m
12、oment)反轉，所需要的反向磁場自然就很大。 由於靜磁(magnetostatic)作用的關係，球形奈米微粒形成鏈狀，導致矯頑磁力增加。,31,居里溫度(Curie temperature),表示某些材料其強磁性(ferromagnetism)或鐵磁性(ferrimagnetism) 消失的特徵溫度(臨界溫度)。在此溫度以上，物質轉為順磁性(paramagnetism)。居里溫度TC為物質之磁性的重要參數，與物質之原子構型及其間距有關。,32,磁力顯微術(MFM),所謂磁力顯微術(MFM；Magnetic Force Microscopy)係指利用鍍有磁性薄膜的矽探針與樣品之間的磁交互作用去
13、取得表面磁化結構的表面檢測技術。,33,磁力顯微術(MFM)之發展與應用,由馬汀(Martin)和威克倫馬辛(Wickramasinghe)兩位科學家於1987年所發明，當初只得到磁力影像，無法獲得材料表貌結構。 目前磁力顯微術使用兩段式掃描，先利用間歇接觸式得到樣品表面形狀，然後再拉高探針進行定高度掃描以取得磁力影像圖，其原理與非接觸式AFM相同。,34,磁力顯微術(MFM)之發展與應用,由於其高解析度(約50 nm)，操作容易，且可以適用於各種環境，已逐漸成為磁性材料研究中的重要檢測技術。 此項技術可應用於磁性薄膜、磁記憶裝置、磁記錄結果分析等等。 魯格(D. Rugar)等人所設計的磁力
14、顯微鏡，利用一小的偏壓(1-10 伏特)，加於探針與樣品之間，增加探針與樣品的吸引力，可提高掃描的穩定度,35,核磁共振(NMR),某些原子核在強磁場下，其自旋能階會分裂，且會吸收電磁波(即電磁輻射)，產生共振現象，稱為核磁共振(NMR；Nuclear magnetic resonance)。 核磁共振的條件為： 核磁矩不為零。 強大而均勻的外加磁場。 外加特定頻率之電磁波，使核子產生共振。,36,NMR之優點,NMR是屬於非破壞性的檢測方法，可以應用來分析材料的物化特性。相較於同樣是非破壞性檢測的X光檢測和紅外線檢測，NMR具有以下優點： 檢測速度快，再加上電腦技術之輔助，使其自動化檢測與程
15、序控制的可行性提高。 可用於鎖定特定的官能群(functional group)，以檢測出是否有反應未完全之前趨物(precursors)或是副產品，便於掌握產物之純度，並尋求純化分離的方法。 因為NMR是使用電磁波做為檢測的依據，故不受材料樣品的大小及外觀色澤的影響。,奈米材料力學性質檢測與分析,38,屈服強度(yield strength),材料顯示與應力(stress)應變(strain)比例關係發生偏離時的應力。 定義為：平行於形變曲線之正比關係段，但沿著應變(strain)軸偏離0.2%的直線，其與形變曲線之交點所對應的應力(stress) 。,39,霍爾-佩契(Hall-Petch
16、)經驗公式,根據霍爾-佩契(Hall-Petch)的經驗公式，材料之屈服強度(yield strength) 可表為： 其中， 為摩擦應力(friction stress)， 為晶粒的平均粒徑，而 是依經驗常數。,40,奈米結構材料的機械性質,以TEM、AFM研究顯示，奈米碳管具有極佳的機械性質，例如，高彈性模數，高彈性應變及高支撐破裂應變等，此均與理論研究結果相同。 與傳統常規塊材相比，奈米結構材料的強度和硬度以倍數提高。 奈米複合材料之強度、韌性、耐磨性、抗老化性、耐壓性、緻密性、及防水性高，在複合材料之力學原理上具有革命性的改善。 由奈米超顆粒壓製成的奈米陶瓷材料具有良好的韌性和延展性。,奈米材料熱學性質檢測與分析,42,奈米材料熱學特性檢測的主要項目,奈米材料之熱學特性的檢測主要有： 熱傳導係數 比熱 熱膨脹 熱穩定性 熔點,43,奈米材料之熱傳導係數,當材料薄膜層的厚度減少到一定程度時，邊界的散射效應對熱傳導的影響將逐漸顯著，垂直於薄膜方向的熱傳導係數(thermal conductance or conduction coefficient)往往會隨著薄膜之厚度的減小而降低。,
