纳米材料的表征技术有哪些，各自有什么特点？
在纳米材料的研究和应用中，对这些材料进行表征是非常关键的步骤。那么目前能够用来表征纳米材料的技术有哪些呢？它们各有什么特点呢？
对纳米材料的表征分成好几个方面，包括对其结构和化学性质进行表征。而且，除了对纳米材料的集体行为和性能进行测量外，在介观水平上观察，测试和操纵纳米尺度材料也是必需的。
在纳米材料的结构表征方面，主要有一下这些方法：
（1）X射线衍射（XRD）
XRD 物相分析是基于多晶样品对 X 射线的衍射效应，对样品中各组分的存在形态进行分析测定的方法。测定的内容包括各组分的结晶情况，所属的晶相，晶体的结构，各种元素在晶体中的价态，成键状态等等。物相分析与一般的元素分析有所不同，它在测定了各种元素在样品中的含量的基础上，还要进一步确定各种晶态组分的结构和含量。 当然，XRD 物相分析也有其不足之处，首先是灵敏度较 低，一般只能测定样品中含量在 1%以上的物相，同时，定量测定的准确度也不高，一 般在 1%的数量级。另外，进行 XRD 物相分析所需要的样品量较大，一般需要几十至几 百毫克的样品，才能得到比较准确的结果。当然，由于非晶态的样品不会对 X 射线产生 衍射，所以一般不能用此法对非晶样品进行分析。
（2）小角度X射线散射（SAXS）
X射线小角散射系发生于原光束附近0～几度范围内的相干散射现象，物质内部1至数百纳米尺度的电子密度的起伏是产生这种散射效应的根本原因。因此SAXS技术可以用来表征物质的长周期、准周期结构以及呈无规分布的纳米体系。广泛地用于1～300nm范围内的各种金属和非金属粉末粒度分布的测定，也可用于胶体溶液、磁性液体、病毒、生物大分子以及各种材料中所形成的纳米级微孔、GP区和沉淀析出相尺寸分布的测定。 SAXS的结果所反映的为一次颗粒的尺寸：所谓一次颗粒，即原颗粒，可以相互分离而独立存在的颗粒。很多颗粒粘附在一起形成团粒，这在纳米粉末中是相当常见的。如不能将其中的颗粒有效地分散开来，它们将会作为一个整体而沉降、遮挡和散射可见光，其测试结果势必为团粒尺寸的反映。而SAXS测试结果所反映的既非晶粒亦非团粒而是一次颗粒的尺寸。 测试结果的统计代表性：检测结果是否具有代表性，当取样合理时，主要是看测量信息来源于多少个颗粒。对小角散射而言就是要看测量时X射线大约照射上多少颗粒，根据上述参数可以算出X射线辐照体积内的颗粒数近似为1.8×10的10次方个。因此，我们可以认为一般小角散射信息来自10的9次方～10的11次方个颗粒，这也就保证其结果的统计代表性。 该方法的缺点是设备比较昂贵，数据解析比较复杂。
（3）扫描电子显微镜（SEM）
扫描电子显微镜是一种利用电子束扫描样品表面从而获得样品信息的电子显微镜。它能产生样品表面的高分辨率图像，且图像呈三维，扫描电子显微镜能被用来鉴定样品的表面结构。 SEM的分辨率接近几个纳米，仪器的放大倍数可以轻易地在10-300000范围内进行调整。它不仅产生光学显微镜那样的拓扑信息，也能够提供表面附近的化学成分和分布的详细信息。
（4）透射电子显微镜（TEM）
透射电子显微镜是把经加速和聚集的电子束投射到非常薄的样品上，电子与样品中的原子碰撞而改变方向，从而产生立体角散射。散射角的大小与样品的密度、厚度相关，因此可以形成明暗不同的影像，影像将在放大、聚焦后在成像器件（如荧光屏、胶片、以及感光耦合组件）上显示出来。 由于电子的德布罗意波长非常短，透射电子显微镜的分辨率比光学显微镜高的很多，可以达到0.1～0.2nm，放大倍数为几万～百万倍。因此，使用透射电子显微镜可以用于观察样品的精细结构，甚至可以用于观察仅仅一列原子的结构，比光学显微镜所能够观察到的最小的结构小数万倍。 TEM在中和物理学和生物学相关的许多科学领域都是重要的分析方法，如癌症研究、病毒学、材料科学、以及纳米技术、半导体研究等等。在放大倍数较低的时候，TEM成像的对比度主要是由于材料不同的厚度和成分造成对电子的吸收不同而造成的。而当放大率倍数较高的时候，复杂的波动作用会造成成像的亮度的不同，因此需要专业知识来对所得到的像进行分析。通过使用TEM不同的模式，可以通过物质的化学特性、晶体方向、电子结构、样品造成的电子相移以及通常的对电子吸收对样品成像。
（5）扫描探针显微镜 （SPM）
扫描探针显微镜是20世纪80年代发展起来的一种新型显微表面研究新技术,其核心思想是利用探针尖端与物质表面原子间的不同种类的局域相互作用来测量表面原子结构和电子结构。SPM是一系列基于探针对被测样品进行扫描成像的显微镜的总称, 包括一系列工作原理相似的可以使物质成亚纳米量级像的新型显微技术,如扫描隧道显微镜 (STM)、原子力显微镜(AFM)、近场扫描光学显微镜(NSOM)等。由于SPM基本的操作原理可以在纳米尺寸范围内进行测量、分析以及定量地研究物质性质,这些数据反映了局部甚至单个原子或分子的性质,对纳米材料提供了新的结构信息.
（6）气体吸附
无论纳米材料的化学成分和晶体结构如何，都可以利用物理、化学吸附等温线来确定颗粒表面积和特征尺寸以及孔结构。当气态物质接触到固态表面时，在适当的温度和压力下，气体分子将吸附到表面以减小表面原子的不平衡吸引力，这样可以减少表面能。吸附既可以是物理的，也可以是化学的。物理吸附气体可以通过减小分压的方式从固态表面上轻易去除，而化学吸附气体较难去除，除非加热到较高的温度。
在表征纳米材料的化学性质方面，有下面几种方法：
（1）光谱
光谱广泛用于表征纳米材料。这种技术通常可以划分为两大类：吸收与发射谱，以及振动谱。前者通过从基态到激发态（吸收），在退激到基态（发射）的激发电子，确定原子，离子，分子或晶体的电子结构。这其中包括了紫外－可见光谱，荧光光谱，以及红外，拉曼光谱等。其中红外光谱能够确定样品中化学键的特性，周围环境或原子排列和浓度。而拉曼光谱更多地用作结构表征而不是化学分析。
（2）电子谱
X射线光电子谱(XPS )是一种表面分析方法，提供的是样品表面的元素含量与形态，而不是样品整体的成分。其信息深度约为原则上可以测定元素周期表上除氢、氦以外的所有元素。其主要功能继应用有三方面: 第一，可提供物质表面几个原子层的元素定性、定量信息和化学状态信息; 第二，可对非均相覆盖层进行深度分布分析；第三，可对元素及其化学态进行成像，给出不同化学态的不同元素在表面的分布图像等。 俄歇电子能谱法（AES）以表面元素定性分析、定量分析、表面化学结构分析等基本应用为基础，可以广泛应用于表面科学与工程领域的分析、研究工作。俄歇能谱仪与低能电子衍射仪联用，可进行试样表面成分和晶体结构分析，因此被称为表面探针。 能量弥散X射线（EDX）技术用来对材料微区成分元素种类与含量分析，配合扫描电子显微镜与透射电子显微镜的使用。EDX的分析结果里面会有原子比和元素比 （也就是质量比）的数据，值得提醒的是，EDX分析并没有那么精确，所以尽管分析报告的结果会有两位小数，但只取一位小数就够了。
（3）离子谱
这包括卢瑟福背散射谱（RBS）和二次离子质谱（SIMS）。前者是常用的薄膜表征技术，基于利用低质量，极高能量的离子束和重的靶原子核的碰撞。这种碰撞为弹性碰撞，对靶原子的电子组态和化学键不敏感，但是可以同时获得有关存在元素属性，它们的浓度和深度分布的信息。而且，RBS具备在原子百分比范围内的定量精度，而无须利用成分标准。 二次离子质谱能够探测固态中非常低的浓度，远远超出了任何已知的分析技术。在SIMS中，离子源轰击表面，从最外表面溅射出大部分中性原子，也包括正或负的离子。在气相中，对离子作质量分析以鉴别存在物质以及确定它们的丰度。SIMS可以进一步划分为静态SIMS和动态SIMS。静态SIMS需要离子适度轰击表面之前的相关数据，很适合于表面分析。动态SIMS是在高溅射速率下操作，因而可作深度剖面分析。
