分析科學現代方法正是人類知識寶庫中最重要、最活躍的領域之一，它不僅是研究的對象，而且又是觀察和探索世界，特別是微觀世界的重要手段，各行各業都離不開它。隨著納米材料科學技術的發展，要求改進和發展新分析方法、新分析技術和新概念，提高其靈敏度、準確度和可靠性，從中提取更多信息，提高測試質量、效率和經濟性。
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。納米科技是未來高科技的基礎，而適合納米科技研究的儀器分析方法是納米科技中必不可少的實驗手段。因此，納米材料的分析和表征對納米材料和納米科技發展具有重要的意義和作用。
納米技術與納米材料是一個典型的新興高技術領域。雖然許多研究人員已經涉足了該領域的研究，但還有很多研究人員以及相關產業的從業人員對納米材料還不很熟悉，尤其是如何分析和表征納米材料、如何獲得納米材料的一些特征信息。為了滿足納米科技工作者的需要，本文對納米材料的一些常用分析和表征技術，主要從納米材料的成分分析、形貌分析、粒度分析、結構分析以及表面界面分析等幾個方面進行簡要闡述。
1. 納米材料的粒度分析
1.1粒度分析的概念
大部分固體材料均是由各種形狀不同的顆粒構造而成，因此，細微顆粒材料的形狀和大小對材料結構和性能具有重要的影響。尤其對納米材料，其顆粒大小和形狀對材料的性能起著決定性的作用。因此，對納米材料的顆粒大小、形狀的表征和控制具有重要意義。一般固體材料顆粒大小可以用顆粒粒度概念來表述。
對于不同原理的粒度分析儀器，所依據的測量原理不同，其顆粒特性也不同，只能進行有效對比，不能進行橫向直接對比。由于粉體材料顆粒形狀不可能都是均勻球形的，有各種各樣的結構，因此，在大多數情況下粒度分析儀所測的粒徑是一種等效意義上的粒徑，和實際的顆粒大小分布會有一定的差異，因此只具有相對比較的意義。此外，各種不同粒度分析方法獲得的粒徑大小和分布數據也可能不能相互印證，不能進行絕對的橫向比較。
由于粉體材料的顆粒大小分布較廣，可從納米級到毫米級，因此在描述材料粒度大小時，可以把顆粒按大小分為納米顆粒、超微顆粒、微粒、細粒、粗粒等種類。近年來，隨著納米科學和技術的迅猛發展，納米材料的顆粒分布以及顆粒大小已經成為納米材料表征的重要指標之一，在普通的材料粒度分析中，其研究的顆粒大小一般在100nm尺寸范圍。而對于納米材料研究，其研究的粒度分布范圍主要在1-500nm之間，尤其1-20nm是納米材料研究最關注的尺寸范圍。
在納米材料分析和研究中，經常遇到的納米顆粒通常是指顆粒尺寸為納米量級（1-100nm）的超細微粒。由于該類材料的顆粒尺寸為納米量級，本身具有小尺寸效應、量子尺寸效應、表面效應和宏觀量子隧道效應，因此具有許多常規材料所不具備的特性。因為納米材料的粒度大小、分布、在介質中的分散性能以及二次粒子的聚集形態等對納米材料的性能具有重要影響，所以，納米材料粒度的分析是納米材料研究的一個重要方面。同樣由于納米材料的特性和重要性，促進了粒度分析和表征的方法和技術的發展，納米材料粒度的分析已經發展成為現代粒度分析的一個重要領域。
1.2.粒度分析的種類和適用范圍
雖然粒度的分析方法多種多樣，基本上可歸納為以下幾種方法。傳統的顆粒測量方法有篩分法、顯微鏡法、沉降法等。近年來發展的方法有激光衍射法、激光散射法、光子相干光譜法、電子顯微鏡圖像分析法、基于布朗運動的粒度測量法和質譜法等。其中激光散射法和光子相干光譜法由于具有速度快、測量范圍廣、數據可靠、重復性好、自動化程度高、便于在線測量等測量而被廣泛應用。
1.2.1顯微鏡法
顯微鏡法(microscopy)是一種測定顆粒粒度的常用方法。根據材料顆粒的不同，既可以采用一般的光學顯微鏡，也可以采用電子顯微鏡。光學顯微鏡測定范圍為0.8-150μm，小于0.8μm者必須用電子顯微鏡觀察。掃描電鏡和透射電子顯微鏡常用于直接觀察大小在1nm-5μm范圍內的顆粒，適合納米材料的粒度大小和形貌分析。圖像分析技術因其測量的隨機性、統計性和直觀性被公認為是測量結果與實際粒度分布吻合最好的測試技術。其優點是直接觀察顆粒形狀，可以直接觀察顆粒是否團聚。缺點是取樣代表性差，實驗重復性差，測量速度慢。
為了適合納米科技發展的需要，納米材料粒度的分析方法逐步成為粒度分析的重要內容。目前，適合納米材料粒度分析的方法主要是激光動態光散射粒度分析法和光子相關光譜分析法，其測量顆粒最小粒徑可以達到20nm和1nm。
對于納米材料體系的粒度分析，首先要分清是對顆粒的一次粒度還是對二次粒度進行分析。一次粒度的分析主要采用電鏡的直觀觀測，根據需要和樣品的粒度范圍，可依次采用掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)、掃描隧道電鏡(STM)、原子力顯微鏡(AFM)觀測，直觀得到單個顆粒的原始粒徑及形貌。由于電鏡法是對局部區域的觀測，所以，在進行粒度分布分析時，需要多幅照片的觀測，通過軟件分析得到統計的粒度分布。電鏡法得到的一次粒度分析結果一般很難代表實際樣品顆粒的分布狀態。納米材料顆粒體系二次粒度統計分析方法，按原理分較先進的三種典型方法是:高速離心沉降法、激光粒度分析法和電超聲粒度分析法。
1.2.2.電鏡觀察粒度分析
電鏡法進行納米材料顆粒度分析也是納米材料研究最常用的方法，不僅可以進行納米顆粒大小的分析，也可以對顆粒大小的分布進行分析，還可以得到顆粒形貌的數據。一般采用的電鏡有掃描電鏡和透射電鏡，其進行粒度分布的主要原理是通過溶液分散制樣的方式把納米材料樣品分散在樣品臺上，然后通過電鏡放大觀察和照相。通過計算機圖像分析程序就可以把顆粒大小、顆粒大小的分布以及形狀數據統計出來。
普通掃描電鏡的顆粒分辨率一般在6nm左右，場發射掃描電鏡的分辨率可以達到0.5nm。掃描電鏡對納米粉體樣品可以進行溶液分散制樣，也可以直接進行干粉制樣，對樣品制備的要求比較低，但由于電鏡對樣品要求有一定的導電性能，因此，對于非導電性樣品需要進行表面蒸鍍導電層如表面鍍金，蒸碳等。一般在10nm以下的樣品不能蒸金，因為顆粒大小在8nm左右，會產生干擾，應采取蒸碳方式。掃描電鏡有很大的掃描范圍，原則上從1nm到毫米量級均可以用掃描電鏡進行粒度分析，而對于透射電鏡，由于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。對于電鏡法粒度分析還可以和電鏡的其它技術聯用，實現對顆粒求成分和晶體結構的測定，這是其它粒度分析法不能實現的。
2. 納米材料的形貌分析
2.1形貌分析的重要性
材料的形貌尤其是納米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征所決定的。對于納米材料，其性能不僅與材料顆粒大小還與材料的形貌有重要關系。因此，納米材料的形貌分析是納米材料的重要研究內容。形貌分析主要內容是分析材料的幾何形貌、材料的顆粒度、顆粒的分布以及形貌微區的成分和物相結構等方面。
2.2形貌分析的主要方法
納米材料常用的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)、掃描隧道顯微鏡(STM)、原子力顯微鏡(AFM)。掃描電鏡和透射電鏡形貌分析不僅可以分析納米粉體材料，還可分析塊體材料的形貌。其提供的信息主要有材料的幾何形貌、粉體的分散狀態、納米顆粒的大小、分布、特定形貌區域的元素組成和物相結構。掃描電鏡分析可以提供從數納米到毫米范圍內的形貌像，觀察視為大，其分辨率一般為6nm，對于場發射掃描電子顯微鏡，其空間分辨率可以達到0.5nm量級。透射電鏡具有很高的空間分辨能力，特別適合粉體材料的分析。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、分布，還可以獲得特定區域的元素組成及物相結構信息。透射電鏡比較適合納米粉體樣品的形貌分析，但顆粒大小應小于300 nm，否則電子束就不能穿透了。對塊體樣品的分析，透射電鏡一般需要對樣品需要進行減薄處理。掃描隧道顯微鏡主要針對一些特殊導電固體樣品的形貌分析，可以達到原子量級的分辨率，僅適合具有導電性的薄膜材料的形貌分析和表面原子結構分布分析，對納米粉體材料不能分析。掃描原子力顯微鏡可以對納米薄膜進行形貌分析，分辨率可以達到幾十納米，比掃描隧道顯微鏡差，但適合導體和非導體樣品，不適合納米粉體的形貌分析。總之，這四種形貌分析方法各有特點，電鏡分析具有更多優勢，但掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡具有可以氣氛下進行原位形貌分析的特點。
人的眼睛的分辨本領為0.5mm左右。顯微鏡的分辨本領，可以用d=0.61λ/(nsinα)公式來表達，由此可見顯微鏡的分辨本領與光的波長成正比。當光的波長越長，其分辨率越低只有采用比較短的波長的光線，才能獲得較高的放大倍數。比可見光波長更短的波有紫外線、X射線和電子波。利用電子束作為提高顯微鏡分辨率的新光源，即電子顯微鏡。目前，電子顯微鏡的放大倍數已達到150萬倍，這是光學顯微鏡所無法達到的。
電子透鏡不僅具有分辨本領大的特點，還具有景深大、焦距長的特點。所謂景深是指在保持物像清晰度的前提下，試樣在物平面上下沿鏡軸可移動的距離。換言之，在景深范圍內，樣品位置的變化并不影響物像的清晰度。也可以認為是試樣超越物平面所允許的厚度。所謂焦深是指在保持物像清晰的前提下，像平面沿鏡軸可移動的距離，或者說觀察屏或照相底板沿鏡軸所允許的移動距離。在金相攝影中只要景深允許，可以使樣品表面凸凹不平的形貌在照片上都得到清晰的圖像。
掃描電子顯微鏡（SEM）是一種常見的廣泛使用的表面形貌分析儀器。材料的表面的微觀形貌的高倍數照片是通過能量高度集中的電子掃描材料表面而產生的。
掃描電子顯微鏡之所以能放大很大的倍數，是因為基本電子束可以集中掃描一個非常小的區域（<10nm），在用小于1KeV能量的基本電子束掃描小于5nm的表面區域時，就能產生對微觀形貌較高的靈敏度。
掃描電子顯微鏡的原理與光學成像原理相近。主要利用電子束切換可見光，利用電磁透鏡代替光學透鏡的一種成像方式。
掃描電鏡的成像原理與光學顯微鏡不同，但和透射電鏡也不完全一樣。
掃描電鏡的優點是:有較高的放大倍數，20倍—20萬倍之間連續可調;有很大的景深，視野大，求成像富有立體咸，可直接觀察各種試樣凹凸不平表面的細微結構;試樣制備簡單。日目前的掃描電鏡都配有X射線能譜儀裝置。這樣可以同時進行顯微組織形貌的觀察和微區成分分析，因此它像透射電鏡一樣是當今十分有用的科學研究儀器，分辨率是掃描電鏡的主要性能指標。對微區成分分析而言，它是指能分析們的最小區域；對成像而言，它是指能分辨兩點一之間的最小距離，分辨率大小由入射電子束直徑和調節信號類型共同決定。電子束直徑越小，分辨率越高。但由于成像信號不同，例如二次電子和背反射電子，在樣品表面的發射范圍也不同，從而影響其分辨率。
與透射電鏡景深分析一樣，掃描電鏡的景深也可表達為Df〉〉2△r0/α，式中α為電子束孔徑角。可見，電子束孔徑角是決定掃描電鏡景深的主要因素，它取決于末級逐透鏡的光闌直徑和工作距離。掃描電鏡的末級透鏡采用小孔徑角、長焦距，所以可獲得很大卡景深，它比一般光學顯微鏡景深大100-500倍，比透射電鏡大10倍。由于景深大，掃描電鏡的圖像立體咸強，形態逼真。對于表面粗糙的斷口試樣來講，光學顯微鏡因景深小無能為力，透射電鏡對樣品要求苛刻，即使用復型樣品也難免出現假像，且景深也較掃描電鏡為小，因此用掃描電鏡觀察分析斷口試樣具有其它分析儀器無法比擬的優點。
3. 成分分析
3.1成分分析方法與范圍
納米材料的光、電、聲、熱、磁等理物性能與組成納米材料的化學成分和結構具有密切關系。因此，確定納米材料的元素組成，測定納米材料中雜質的種類和濃度，是納米材料分析的重要內容之一。
納米材料成分分析按照分析對象可分為微量樣品分析和痕量成分分析兩種類型。微量樣品分析是就取樣量而言。痕量成分分析則是就待測成分在納米材料中的含量而言，由于雜質或摻雜的成分含量很低，在百萬分之一甚至更低的濃度范圍，因此稱這類分析為痕量成分分析。
納米材料的成分分析方法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成分分析等方法。
納米材料的體相元素組成及其雜質成分的分析方法包括原子吸收、原子發射、ICP質譜以及X射線熒光與衍射分析方法。其中前三種分析方法需要對樣品溶解后再進行測定，因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行測定，因此又稱為非破壞性元素分析方法。
3.2X射線熒光光譜分析方法（XFS）是一種非破壞性的分析方法，可以對固體樣品進行直接測定，因此在納米材料成分分析中具有較大的優勢。X射線熒光的能量或波長是特征性的，與元素有一一對應關系。因此，只要測出熒光X射線的波長，就可以知道元素的種類，這就是熒光X射線定性分析的基礎。此外，熒光X射線的強度與相應的元素含量有一定關系。據此，可進行元素的定量分析。
納米材料的表面分析方法目前最常用的有X射線光電子能譜（XPS）分析方法、俄歇電子能譜（AES）分析方法、電子衍射分析方法和二次離子質譜（SIMS）分析方法等。這些方法能夠對納米材料表面化學成分、分布狀態與價態、表面與界面的吸附與擴散反應的狀況等進行測定，當把能譜與電子探針技術與掃描或透射電鏡技術相結合時，還可對納米材料的微區成分進行分析，因此在納米材料的成分分析特別是納米薄膜的微區成分分析中有廣泛的應用。
3.3電子能譜分析方法主要包括X射線光電子能譜和俄歇電子能譜分析方法。兩種方法們的共同特點是基于材料表面被激發出來的電子所具有的特征能量分布（能譜）而對材料表面元素進行分析的方法。兩者的主要區別是所采用的激光源不同，X射線光電子能譜用X射線作為激發源，而俄歇電子能譜則采用電子束作為激發源。
作為一種典型的表面分析方法，X射線光電子能譜法（XPS）能夠提供樣品表面的元素含量與形態，其信息深度約為3-5nm。俄歇電子能譜是利用電子槍所發射的電子束逐出的俄歇電子對材料表面進行分析的方法，而且是一種靈敏度很高的分析方法，其信息深度為1.0--3.0nm，絕對靈敏度可達到10-3個單原子層，是一種很有用的分析方法。
3.4透射電子顯微鏡和掃描電子顯微鏡已經廣泛應用于納米材料的形貌分析，當人們對納米材料成像后所觀察到的某一個微區的元素成分有興趣時，可結合電子顯微鏡和能譜兩種方法共同對某一微區的情況進行分析。此外，微區分析還能夠用于研究材料夾雜物、析出相、晶界偏析等微觀現象，因此十分有用。
4.納米材料的結構分析
4.1.納米材料的結構特征
根據納米材料結構的不同，大體上可以把納米材料分為四類，即:納米結構晶體或三維納米結構(如等軸微晶);二維納來米結構(如納米薄膜);一維納米結構(如納米管);以及零維原子簇或簇組裝(如粒徑不大于2nm的納米粒子)。納米材料包括晶體、膺晶體、無定形金屬、陶瓷和化合物等。納米材料有以下性質。
4.1.1. 小尺寸效應 當納米微粒尺寸與光波的波長、傳導電子的德布羅意波長以及超導態的相干長度或穿透深度等物理特征尺寸相當時，晶體周期性的邊界條件將被破壞，聲、光、力、電、熱、磁、內壓、化學活性等與普通粒子相比均有很大變化，這就是納米粒子的小尺寸效應(也稱體積效應)。
4.1.2. 表面與界面效應 納米粒子由于尺寸小、表面積大、表面能高、位于表面的原子處于嚴重的缺位狀態，因此其活性極高，很不穩定，遇到其它原子時很快結合，這種活性就是表面效應。
4.1.3. 量子尺寸效應 當微晶尺寸與德布羅意波長相當時，粒子中的電子運動在三個方向上均受到限制，電子的連續能帶被分裂至接近分子軌道能級，納米粒子的聲、光、電、磁、熱以及超導電性與宏觀特性有很大的不同，稱為量子尺寸效應。
4.1.4. 宏觀量子隧道效應 隧道效應是指微觀粒子具有貫穿勢壘的能力，后來人們發現一些宏觀量，如磁化強度、量子干涉器件中的磁通量也具有隧道效應，稱之為宏觀量子隧道效應。納米粒子具有與微觀粒子相似的能夠貫穿勢壘的隧道效應，該效應也被稱為宏觀量子隧道效應。
材料的性質與微觀結構有密切關系。納米材料的這些特殊性質與其結構之間必然有著緊密的聯系。因此研究納米材料的微觀結構是非常有意義的。納米材料主要是由納米晶粒和晶粒界面兩部分組成，兩者對納米材料性能有重要影響。有關納米晶粒內部的微觀結構的研究表明，納米材料的微觀結構與傳統的晶體結構基本一致，但是由于每個晶胞僅包含著有限的晶胞，晶格點陣必然會發生一定程度的彈性變形。
4.2物相結構的亞微觀特征
人們已經了解到，不僅納米材料的成分和形貌對其性能有重要影響，納米材料的物相結構和晶體結構對材料的性能也有重要的影響。因此，對納米材料的物相結構分析也是材料分析的重要內容之一。物相結構分析的目的是為了精確表征以下的亞微觀特征：
4.2.1晶粒的尺寸、分布和形貌；
4.2.2.晶界和相界面的本質;
4.2.3晶體的完整性和晶間缺陷；
4.2.4跨晶粒和跨晶界的組成和分布；
4.2.5微晶及晶界中雜質的剖析。
除此之外，分析的目的還在于測定納米材料的結構特性，為解釋材料結構與性能關系提供實驗依據。目前，常用的物相分析方法有X射線衍射分析、激光拉曼分析以及微區電子衍射分析等。
4.3.納米材料結構分析新進展
材料結構表征的方法相當多，適用于納米材料結構分析的儀器也不止上面介紹的幾種，而且新的表征也不斷出現。如高分辨電子顯微鏡已經能夠以原子級的分辨率顯示原子排列和化學成分，隧道掃描顯微鏡能夠測定材料表面和近表面原子排列和電子結構，低能電子顯微鏡可用于顯示表面缺陷結構等。
隨著分析儀器和技術的不斷發展，納米材料結構研究所能夠采用的試驗儀器越來越多，包括高分辨透射電鏡（HRTEM）、掃描探針顯微鏡（SPM）、掃描隧道顯微鏡（STM）、原子力顯微鏡（AFM）、場離子顯微鏡（FIM）、X射線衍射儀（XRD）、擴展X射線吸收精細結構測定儀（EXAFS）、穆斯堡爾譜儀（MS）、拉曼散射儀（RS）等等。可以認為，納米結構的研究方法幾乎已經涉及全部物質結構分析測試的儀器。
5．納米材料表面與界面分析
5.1納米材料表面與界面分析方法
固體材料的表面與界面分析已發展為納米薄膜材料研究的重要內容，特別是對于固體材料的元素化學態分析、元素三維分布分析以及微區分析。目前，常用的表面和界面分析方法有：X射線光電子能譜（XPS）、俄歇電子能譜（AES）、靜態二次離子質譜（SIMS）和離子散射譜（ISS）。其中XPS占了整個表面成分分析的50%，AES占了40%，SIMS占了8%。在這些表面與界面分析方法中，XPS的應用范圍最廣，可以適合各種材料的分析，尤其適合材料化學狀態的分析，更適合于涉及到化學信息領域的研究。
目前，商用表面分析譜儀的高真空度可達10-10Torr左右。在X射線光電子能譜儀和俄歇電子能譜儀中必須采用超高真空系統，主要是出于兩個方面的原因，首先，XPS和AES都是表面分析技術，如果分析室的真空度很差，在很短時間內清潔表面可能被真空中的殘氣體所覆蓋。沒有超高真空條件不可能獲得真實的表面成分信息。
5. 2 XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy)的分析方法
5.2.1表面元素定性分析 這是一種最常規的分析方法，一般利用XPS譜儀的寬掃描程序。
5.2.2表面元素的半定量分析 首先應當明確的是XPS并不是一種很好的定量的分析方法。它給出的僅是一種半定量的結果，即相對含量而不是絕對含量。
5.2.3表面元素的化學價態分析表面元素化學價態分析是XPS的最重要的一種分析功能，也是XPS圖譜解析最難，比較容易發生錯誤的部分。
5.3俄歇電子能譜分析
俄歇電子能譜法是一種最廣泛使用的分析方法，其優點是：在靠近表面0.5-2年nm范圍內化學分析的靈敏度高;數據分析速度快;俄歇電子能譜可以分析除氫氦以外的所有元素。現已發展成為表面元素定性、半定量分析、元素深度分布分析和微區分析的重要手段。新型的俄歇電子能譜儀具有很強的做微區分析能力和三維分析能力，其微區分析直徑可以小到6nm，大大提高了在微電子技術和納米技術方面的分析能力。此外，俄歇電子能譜儀還具有很強的化學價態分析能力，不僅可以進行元素化學成分分析，還可以進行元素化學價態分析。俄歇電子能譜分析是目前最重要和最常用的表面分析和界面分析方法之一。由于具有很高的空間分辨能力(6nm)以及表面分析能力(0.5-2nm)，因此，俄歇電子能譜尤其適合于納米材料的表面和界面分析。俄歇電子能譜儀在納米材料尤其是納米器件的研究上具有廣闊的應用前景。
俄歇電子能譜定性分析主要是利用俄歇電子的特征能量來確定固體表面的元素組成。由于俄歇電子的能量僅與原子本身的軌道能級有關，與入射電子的能量無關，也就是說與激發源無關。對于特定的元素及特定的俄歇躍遷過程，其俄歇電子的能量是特征的。由此，可以根據俄歇電子的動能來定性分析樣品表面物質元素的種類。由于每個元素會有多個俄歇峰，定性分析的準確性很高。因此，AES技術是適用對所有元素進行一次全分析的有效定性分析方法，這對于未知樣品的定性鑒定是非常有效的。
俄歇電子的強度不僅與原子序數有關，還與俄歇電子的逃逸深度、樣品的表面粗糙度、元素存在的化學狀態以及儀器的狀態有關。因此，AES技術一般不能給出所分析元素的絕對含量，僅能提供元素的相對含量。且因為元素的靈敏度因子不僅與元素種類有關，還與元素在樣品中存在狀態及儀器的狀態有關，即使是相對含量不經校準也存在很大的誤差。此外，還必須注意的是，雖然AES的絕對檢測靈敏度很高，可達到10-3原子單層，但它是一種表面靈敏度的分析方法，對于體相檢測靈敏度僅為0.1%左右。其表面采樣深度為1.0-3.0nm。
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。納米科技是未來高科技的基礎，而適合納米科技研究的儀器分析方法是納米科技中必不可少的實驗手段。因此，納米材料的分析和表征對納米材料和納米科技發展具有重要的意義和作用。
納米技術與納米材料是一個典型的新興高技術領域。雖然許多研究人員已經涉足了該領域的研究，但還有很多研究人員以及相關產業的從業人員對納米材料還不很熟悉，尤其是如何分析和表征納米材料、如何獲得納米材料的一些特征信息。為了滿足納米科技工作者的需要，本文對納米材料的一些常用分析和表征技術，主要從納米材料的成分分析、形貌分析、粒度分析、結構分析以及表面界面分析等幾個方面進行簡要闡述。
1. 納米材料的粒度分析
1.1粒度分析的概念
大部分固體材料均是由各種形狀不同的顆粒構造而成，因此，細微顆粒材料的形狀和大小對材料結構和性能具有重要的影響。尤其對納米材料，其顆粒大小和形狀對材料的性能起著決定性的作用。因此，對納米材料的顆粒大小、形狀的表征和控制具有重要意義。一般固體材料顆粒大小可以用顆粒粒度概念來表述。
對于不同原理的粒度分析儀器，所依據的測量原理不同，其顆粒特性也不同，只能進行有效對比，不能進行橫向直接對比。由于粉體材料顆粒形狀不可能都是均勻球形的，有各種各樣的結構，因此，在大多數情況下粒度分析儀所測的粒徑是一種等效意義上的粒徑，和實際的顆粒大小分布會有一定的差異，因此只具有相對比較的意義。此外，各種不同粒度分析方法獲得的粒徑大小和分布數據也可能不能相互印證，不能進行絕對的橫向比較。
由于粉體材料的顆粒大小分布較廣，可從納米級到毫米級，因此在描述材料粒度大小時，可以把顆粒按大小分為納米顆粒、超微顆粒、微粒、細粒、粗粒等種類。近年來，隨著納米科學和技術的迅猛發展，納米材料的顆粒分布以及顆粒大小已經成為納米材料表征的重要指標之一，在普通的材料粒度分析中，其研究的顆粒大小一般在100nm尺寸范圍。而對于納米材料研究，其研究的粒度分布范圍主要在1-500nm之間，尤其1-20nm是納米材料研究最關注的尺寸范圍。
在納米材料分析和研究中，經常遇到的納米顆粒通常是指顆粒尺寸為納米量級（1-100nm）的超細微粒。由于該類材料的顆粒尺寸為納米量級，本身具有小尺寸效應、量子尺寸效應、表面效應和宏觀量子隧道效應，因此具有許多常規材料所不具備的特性。因為納米材料的粒度大小、分布、在介質中的分散性能以及二次粒子的聚集形態等對納米材料的性能具有重要影響，所以，納米材料粒度的分析是納米材料研究的一個重要方面。同樣由于納米材料的特性和重要性，促進了粒度分析和表征的方法和技術的發展，納米材料粒度的分析已經發展成為現代粒度分析的一個重要領域。
1.2.粒度分析的種類和適用范圍
雖然粒度的分析方法多種多樣，基本上可歸納為以下幾種方法。傳統的顆粒測量方法有篩分法、顯微鏡法、沉降法等。近年來發展的方法有激光衍射法、激光散射法、光子相干光譜法、電子顯微鏡圖像分析法、基于布朗運動的粒度測量法和質譜法等。其中激光散射法和光子相干光譜法由于具有速度快、測量范圍廣、數據可靠、重復性好、自動化程度高、便于在線測量等測量而被廣泛應用。
1.2.1顯微鏡法
顯微鏡法(microscopy)是一種測定顆粒粒度的常用方法。根據材料顆粒的不同，既可以采用一般的光學顯微鏡，也可以采用電子顯微鏡。光學顯微鏡測定范圍為0.8-150μm，小于0.8μm者必須用電子顯微鏡觀察。掃描電鏡和透射電子顯微鏡常用于直接觀察大小在1nm-5μm范圍內的顆粒，適合納米材料的粒度大小和形貌分析。圖像分析技術因其測量的隨機性、統計性和直觀性被公認為是測量結果與實際粒度分布吻合最好的測試技術。其優點是直接觀察顆粒形狀，可以直接觀察顆粒是否團聚。缺點是取樣代表性差，實驗重復性差，測量速度慢。
為了適合納米科技發展的需要，納米材料粒度的分析方法逐步成為粒度分析的重要內容。目前，適合納米材料粒度分析的方法主要是激光動態光散射粒度分析法和光子相關光譜分析法，其測量顆粒最小粒徑可以達到20nm和1nm。
對于納米材料體系的粒度分析，首先要分清是對顆粒的一次粒度還是對二次粒度進行分析。一次粒度的分析主要采用電鏡的直觀觀測，根據需要和樣品的粒度范圍，可依次采用掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)、掃描隧道電鏡(STM)、原子力顯微鏡(AFM)觀測，直觀得到單個顆粒的原始粒徑及形貌。由于電鏡法是對局部區域的觀測，所以，在進行粒度分布分析時，需要多幅照片的觀測，通過軟件分析得到統計的粒度分布。電鏡法得到的一次粒度分析結果一般很難代表實際樣品顆粒的分布狀態。納米材料顆粒體系二次粒度統計分析方法，按原理分較先進的三種典型方法是:高速離心沉降法、激光粒度分析法和電超聲粒度分析法。
1.2.2.電鏡觀察粒度分析
電鏡法進行納米材料顆粒度分析也是納米材料研究最常用的方法，不僅可以進行納米顆粒大小的分析，也可以對顆粒大小的分布進行分析，還可以得到顆粒形貌的數據。一般采用的電鏡有掃描電鏡和透射電鏡，其進行粒度分布的主要原理是通過溶液分散制樣的方式把納米材料樣品分散在樣品臺上，然后通過電鏡放大觀察和照相。通過計算機圖像分析程序就可以把顆粒大小、顆粒大小的分布以及形狀數據統計出來。
普通掃描電鏡的顆粒分辨率一般在6nm左右，場發射掃描電鏡的分辨率可以達到0.5nm。掃描電鏡對納米粉體樣品可以進行溶液分散制樣，也可以直接進行干粉制樣，對樣品制備的要求比較低，但由于電鏡對樣品要求有一定的導電性能，因此，對于非導電性樣品需要進行表面蒸鍍導電層如表面鍍金，蒸碳等。一般在10nm以下的樣品不能蒸金，因為顆粒大小在8nm左右，會產生干擾，應采取蒸碳方式。掃描電鏡有很大的掃描范圍，原則上從1nm到毫米量級均可以用掃描電鏡進行粒度分析，而對于透射電鏡，由于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。對于電鏡法粒度分析還可以和電鏡的其它技術聯用，實現對顆粒求成分和晶體結構的測定，這是其它粒度分析法不能實現的。
2. 納米材料的形貌分析
2.1形貌分析的重要性
材料的形貌尤其是納米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征所決定的。對于納米材料，其性能不僅與材料顆粒大小還與材料的形貌有重要關系。因此，納米材料的形貌分析是納米材料的重要研究內容。形貌分析主要內容是分析材料的幾何形貌、材料的顆粒度、顆粒的分布以及形貌微區的成分和物相結構等方面。
2.2形貌分析的主要方法
納米材料常用的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)、掃描隧道顯微鏡(STM)、原子力顯微鏡(AFM)。掃描電鏡和透射電鏡形貌分析不僅可以分析納米粉體材料，還可分析塊體材料的形貌。其提供的信息主要有材料的幾何形貌、粉體的分散狀態、納米顆粒的大小、分布、特定形貌區域的元素組成和物相結構。掃描電鏡分析可以提供從數納米到毫米范圍內的形貌像，觀察視為大，其分辨率一般為6nm，對于場發射掃描電子顯微鏡，其空間分辨率可以達到0.5nm量級。透射電鏡具有很高的空間分辨能力，特別適合粉體材料的分析。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、分布，還可以獲得特定區域的元素組成及物相結構信息。透射電鏡比較適合納米粉體樣品的形貌分析，但顆粒大小應小于300 nm，否則電子束就不能穿透了。對塊體樣品的分析，透射電鏡一般需要對樣品需要進行減薄處理。掃描隧道顯微鏡主要針對一些特殊導電固體樣品的形貌分析，可以達到原子量級的分辨率，僅適合具有導電性的薄膜材料的形貌分析和表面原子結構分布分析，對納米粉體材料不能分析。掃描原子力顯微鏡可以對納米薄膜進行形貌分析，分辨率可以達到幾十納米，比掃描隧道顯微鏡差，但適合導體和非導體樣品，不適合納米粉體的形貌分析。總之，這四種形貌分析方法各有特點，電鏡分析具有更多優勢，但掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡具有可以氣氛下進行原位形貌分析的特點。
人的眼睛的分辨本領為0.5mm左右。顯微鏡的分辨本領，可以用d=0.61λ/(nsinα)公式來表達，由此可見顯微鏡的分辨本領與光的波長成正比。當光的波長越長，其分辨率越低只有采用比較短的波長的光線，才能獲得較高的放大倍數。比可見光波長更短的波有紫外線、X射線和電子波。利用電子束作為提高顯微鏡分辨率的新光源，即電子顯微鏡。目前，電子顯微鏡的放大倍數已達到150萬倍，這是光學顯微鏡所無法達到的。
電子透鏡不僅具有分辨本領大的特點，還具有景深大、焦距長的特點。所謂景深是指在保持物像清晰度的前提下，試樣在物平面上下沿鏡軸可移動的距離。換言之，在景深范圍內，樣品位置的變化并不影響物像的清晰度。也可以認為是試樣超越物平面所允許的厚度。所謂焦深是指在保持物像清晰的前提下，像平面沿鏡軸可移動的距離，或者說觀察屏或照相底板沿鏡軸所允許的移動距離。在金相攝影中只要景深允許，可以使樣品表面凸凹不平的形貌在照片上都得到清晰的圖像。
掃描電子顯微鏡（SEM）是一種常見的廣泛使用的表面形貌分析儀器。材料的表面的微觀形貌的高倍數照片是通過能量高度集中的電子掃描材料表面而產生的。
掃描電子顯微鏡之所以能放大很大的倍數，是因為基本電子束可以集中掃描一個非常小的區域（<10nm），在用小于1KeV能量的基本電子束掃描小于5nm的表面區域時，就能產生對微觀形貌較高的靈敏度。
掃描電子顯微鏡的原理與光學成像原理相近。主要利用電子束切換可見光，利用電磁透鏡代替光學透鏡的一種成像方式。
掃描電鏡的成像原理與光學顯微鏡不同，但和透射電鏡也不完全一樣。
掃描電鏡的優點是:有較高的放大倍數，20倍—20萬倍之間連續可調;有很大的景深，視野大，求成像富有立體咸，可直接觀察各種試樣凹凸不平表面的細微結構;試樣制備簡單。日目前的掃描電鏡都配有X射線能譜儀裝置。這樣可以同時進行顯微組織形貌的觀察和微區成分分析，因此它像透射電鏡一樣是當今十分有用的科學研究儀器，分辨率是掃描電鏡的主要性能指標。對微區成分分析而言，它是指能分析們的最小區域；對成像而言，它是指能分辨兩點一之間的最小距離，分辨率大小由入射電子束直徑和調節信號類型共同決定。電子束直徑越小，分辨率越高。但由于成像信號不同，例如二次電子和背反射電子，在樣品表面的發射范圍也不同，從而影響其分辨率。
與透射電鏡景深分析一樣，掃描電鏡的景深也可表達為Df〉〉2△r0/α，式中α為電子束孔徑角。可見，電子束孔徑角是決定掃描電鏡景深的主要因素，它取決于末級逐透鏡的光闌直徑和工作距離。掃描電鏡的末級透鏡采用小孔徑角、長焦距，所以可獲得很大卡景深，它比一般光學顯微鏡景深大100-500倍，比透射電鏡大10倍。由于景深大，掃描電鏡的圖像立體咸強，形態逼真。對于表面粗糙的斷口試樣來講，光學顯微鏡因景深小無能為力，透射電鏡對樣品要求苛刻，即使用復型樣品也難免出現假像，且景深也較掃描電鏡為小，因此用掃描電鏡觀察分析斷口試樣具有其它分析儀器無法比擬的優點。
3. 成分分析
3.1成分分析方法與范圍
納米材料的光、電、聲、熱、磁等理物性能與組成納米材料的化學成分和結構具有密切關系。因此，確定納米材料的元素組成，測定納米材料中雜質的種類和濃度，是納米材料分析的重要內容之一。
納米材料成分分析按照分析對象可分為微量樣品分析和痕量成分分析兩種類型。微量樣品分析是就取樣量而言。痕量成分分析則是就待測成分在納米材料中的含量而言，由于雜質或摻雜的成分含量很低，在百萬分之一甚至更低的濃度范圍，因此稱這類分析為痕量成分分析。
納米材料的成分分析方法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成分分析等方法。
納米材料的體相元素組成及其雜質成分的分析方法包括原子吸收、原子發射、ICP質譜以及X射線熒光與衍射分析方法。其中前三種分析方法需要對樣品溶解后再進行測定，因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行測定，因此又稱為非破壞性元素分析方法。
3.2X射線熒光光譜分析方法（XFS）是一種非破壞性的分析方法，可以對固體樣品進行直接測定，因此在納米材料成分分析中具有較大的優勢。X射線熒光的能量或波長是特征性的，與元素有一一對應關系。因此，只要測出熒光X射線的波長，就可以知道元素的種類，這就是熒光X射線定性分析的基礎。此外，熒光X射線的強度與相應的元素含量有一定關系。據此，可進行元素的定量分析。
納米材料的表面分析方法目前最常用的有X射線光電子能譜（XPS）分析方法、俄歇電子能譜（AES）分析方法、電子衍射分析方法和二次離子質譜（SIMS）分析方法等。這些方法能夠對納米材料表面化學成分、分布狀態與價態、表面與界面的吸附與擴散反應的狀況等進行測定，當把能譜與電子探針技術與掃描或透射電鏡技術相結合時，還可對納米材料的微區成分進行分析，因此在納米材料的成分分析特別是納米薄膜的微區成分分析中有廣泛的應用。
3.3電子能譜分析方法主要包括X射線光電子能譜和俄歇電子能譜分析方法。兩種方法們的共同特點是基于材料表面被激發出來的電子所具有的特征能量分布（能譜）而對材料表面元素進行分析的方法。兩者的主要區別是所采用的激光源不同，X射線光電子能譜用X射線作為激發源，而俄歇電子能譜則采用電子束作為激發源。
作為一種典型的表面分析方法，X射線光電子能譜法（XPS）能夠提供樣品表面的元素含量與形態，其信息深度約為3-5nm。俄歇電子能譜是利用電子槍所發射的電子束逐出的俄歇電子對材料表面進行分析的方法，而且是一種靈敏度很高的分析方法，其信息深度為1.0--3.0nm，絕對靈敏度可達到10-3個單原子層，是一種很有用的分析方法。
3.4透射電子顯微鏡和掃描電子顯微鏡已經廣泛應用于納米材料的形貌分析，當人們對納米材料成像后所觀察到的某一個微區的元素成分有興趣時，可結合電子顯微鏡和能譜兩種方法共同對某一微區的情況進行分析。此外，微區分析還能夠用于研究材料夾雜物、析出相、晶界偏析等微觀現象，因此十分有用。
4.納米材料的結構分析
4.1.納米材料的結構特征
根據納米材料結構的不同，大體上可以把納米材料分為四類，即:納米結構晶體或三維納米結構(如等軸微晶);二維納來米結構(如納米薄膜);一維納米結構(如納米管);以及零維原子簇或簇組裝(如粒徑不大于2nm的納米粒子)。納米材料包括晶體、膺晶體、無定形金屬、陶瓷和化合物等。納米材料有以下性質。
4.1.1. 小尺寸效應 當納米微粒尺寸與光波的波長、傳導電子的德布羅意波長以及超導態的相干長度或穿透深度等物理特征尺寸相當時，晶體周期性的邊界條件將被破壞，聲、光、力、電、熱、磁、內壓、化學活性等與普通粒子相比均有很大變化，這就是納米粒子的小尺寸效應(也稱體積效應)。
4.1.2. 表面與界面效應 納米粒子由于尺寸小、表面積大、表面能高、位于表面的原子處于嚴重的缺位狀態，因此其活性極高，很不穩定，遇到其它原子時很快結合，這種活性就是表面效應。
4.1.3. 量子尺寸效應 當微晶尺寸與德布羅意波長相當時，粒子中的電子運動在三個方向上均受到限制，電子的連續能帶被分裂至接近分子軌道能級，納米粒子的聲、光、電、磁、熱以及超導電性與宏觀特性有很大的不同，稱為量子尺寸效應。
4.1.4. 宏觀量子隧道效應 隧道效應是指微觀粒子具有貫穿勢壘的能力，后來人們發現一些宏觀量，如磁化強度、量子干涉器件中的磁通量也具有隧道效應，稱之為宏觀量子隧道效應。納米粒子具有與微觀粒子相似的能夠貫穿勢壘的隧道效應，該效應也被稱為宏觀量子隧道效應。
材料的性質與微觀結構有密切關系。納米材料的這些特殊性質與其結構之間必然有著緊密的聯系。因此研究納米材料的微觀結構是非常有意義的。納米材料主要是由納米晶粒和晶粒界面兩部分組成，兩者對納米材料性能有重要影響。有關納米晶粒內部的微觀結構的研究表明，納米材料的微觀結構與傳統的晶體結構基本一致，但是由于每個晶胞僅包含著有限的晶胞，晶格點陣必然會發生一定程度的彈性變形。
4.2物相結構的亞微觀特征
人們已經了解到，不僅納米材料的成分和形貌對其性能有重要影響，納米材料的物相結構和晶體結構對材料的性能也有重要的影響。因此，對納米材料的物相結構分析也是材料分析的重要內容之一。物相結構分析的目的是為了精確表征以下的亞微觀特征：
4.2.1晶粒的尺寸、分布和形貌；
4.2.2.晶界和相界面的本質;
4.2.3晶體的完整性和晶間缺陷；
4.2.4跨晶粒和跨晶界的組成和分布；
4.2.5微晶及晶界中雜質的剖析。
除此之外，分析的目的還在于測定納米材料的結構特性，為解釋材料結構與性能關系提供實驗依據。目前，常用的物相分析方法有X射線衍射分析、激光拉曼分析以及微區電子衍射分析等。
4.3.納米材料結構分析新進展
材料結構表征的方法相當多，適用于納米材料結構分析的儀器也不止上面介紹的幾種，而且新的表征也不斷出現。如高分辨電子顯微鏡已經能夠以原子級的分辨率顯示原子排列和化學成分，隧道掃描顯微鏡能夠測定材料表面和近表面原子排列和電子結構，低能電子顯微鏡可用于顯示表面缺陷結構等。
隨著分析儀器和技術的不斷發展，納米材料結構研究所能夠采用的試驗儀器越來越多，包括高分辨透射電鏡（HRTEM）、掃描探針顯微鏡（SPM）、掃描隧道顯微鏡（STM）、原子力顯微鏡（AFM）、場離子顯微鏡（FIM）、X射線衍射儀（XRD）、擴展X射線吸收精細結構測定儀（EXAFS）、穆斯堡爾譜儀（MS）、拉曼散射儀（RS）等等。可以認為，納米結構的研究方法幾乎已經涉及全部物質結構分析測試的儀器。
5．納米材料表面與界面分析
5.1納米材料表面與界面分析方法
固體材料的表面與界面分析已發展為納米薄膜材料研究的重要內容，特別是對于固體材料的元素化學態分析、元素三維分布分析以及微區分析。目前，常用的表面和界面分析方法有：X射線光電子能譜（XPS）、俄歇電子能譜（AES）、靜態二次離子質譜（SIMS）和離子散射譜（ISS）。其中XPS占了整個表面成分分析的50%，AES占了40%，SIMS占了8%。在這些表面與界面分析方法中，XPS的應用范圍最廣，可以適合各種材料的分析，尤其適合材料化學狀態的分析，更適合于涉及到化學信息領域的研究。
目前，商用表面分析譜儀的高真空度可達10-10Torr左右。在X射線光電子能譜儀和俄歇電子能譜儀中必須采用超高真空系統，主要是出于兩個方面的原因，首先，XPS和AES都是表面分析技術，如果分析室的真空度很差，在很短時間內清潔表面可能被真空中的殘氣體所覆蓋。沒有超高真空條件不可能獲得真實的表面成分信息。
5. 2 XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy)的分析方法
5.2.1表面元素定性分析 這是一種最常規的分析方法，一般利用XPS譜儀的寬掃描程序。
5.2.2表面元素的半定量分析 首先應當明確的是XPS并不是一種很好的定量的分析方法。它給出的僅是一種半定量的結果，即相對含量而不是絕對含量。
5.2.3表面元素的化學價態分析表面元素化學價態分析是XPS的最重要的一種分析功能，也是XPS圖譜解析最難，比較容易發生錯誤的部分。
5.3俄歇電子能譜分析
俄歇電子能譜法是一種最廣泛使用的分析方法，其優點是：在靠近表面0.5-2年nm范圍內化學分析的靈敏度高;數據分析速度快;俄歇電子能譜可以分析除氫氦以外的所有元素。現已發展成為表面元素定性、半定量分析、元素深度分布分析和微區分析的重要手段。新型的俄歇電子能譜儀具有很強的做微區分析能力和三維分析能力，其微區分析直徑可以小到6nm，大大提高了在微電子技術和納米技術方面的分析能力。此外，俄歇電子能譜儀還具有很強的化學價態分析能力，不僅可以進行元素化學成分分析，還可以進行元素化學價態分析。俄歇電子能譜分析是目前最重要和最常用的表面分析和界面分析方法之一。由于具有很高的空間分辨能力(6nm)以及表面分析能力(0.5-2nm)，因此，俄歇電子能譜尤其適合于納米材料的表面和界面分析。俄歇電子能譜儀在納米材料尤其是納米器件的研究上具有廣闊的應用前景。
俄歇電子能譜定性分析主要是利用俄歇電子的特征能量來確定固體表面的元素組成。由于俄歇電子的能量僅與原子本身的軌道能級有關，與入射電子的能量無關，也就是說與激發源無關。對于特定的元素及特定的俄歇躍遷過程，其俄歇電子的能量是特征的。由此，可以根據俄歇電子的動能來定性分析樣品表面物質元素的種類。由于每個元素會有多個俄歇峰，定性分析的準確性很高。因此，AES技術是適用對所有元素進行一次全分析的有效定性分析方法，這對于未知樣品的定性鑒定是非常有效的。
俄歇電子的強度不僅與原子序數有關，還與俄歇電子的逃逸深度、樣品的表面粗糙度、元素存在的化學狀態以及儀器的狀態有關。因此，AES技術一般不能給出所分析元素的絕對含量，僅能提供元素的相對含量。且因為元素的靈敏度因子不僅與元素種類有關，還與元素在樣品中存在狀態及儀器的狀態有關，即使是相對含量不經校準也存在很大的誤差。此外，還必須注意的是，雖然AES的絕對檢測靈敏度很高，可達到10-3原子單層，但它是一種表面靈敏度的分析方法，對于體相檢測靈敏度僅為0.1%左右。其表面采樣深度為1.0-3.0nm。
