最近的趋势在x射线荧光光谱法:纳米材料的精确调查

Manoj k .女子

同步加速器利用部分,拉贾Ramanna先进技术中心452013年印多尔,印度中央邦。电子邮件:(电子邮件保护)

DOI:https://doi.org/10.1255/sew.2018.a1
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介绍

发现纳米材料科学和纳米技术广泛的应用在许多领域,尤其是作为催化剂在化学,bio-nanotechnology、电子学和制药行业。了解纳米材料的物理和化学性质很重要,不仅因为迷人的自然的主题,但也由于其潜在的科学和技术的适用性几乎在每一个分支。纳米材料提供有趣的属性,因为在原子或分子尺度,材料的物理性质成为大小依赖由于量子限制和表面状态的影响。

同样的,有图案的纳米结构是非常重要的在制作新颖的电子,磁性和光子设备。例如,纳米粒子的分子印刷是高亮显示的方法创建一个组织前体结构在衬底表面定位纳米线和碳纳米管。在所有的例子中,能够控制纳米粒子的粒径分布和表面形态至关重要,从的角度来看的基本理解和巨大数量的高科技工业应用领域的染料敏化太阳能电池,智能显示和玻璃窗,化学、气体和生物传感器、锂电池、超级电容器等。^{1 - 3}

一些常见的x光技术用于描述纳米材料

x射线反射率

x射线反射率(XRR)是一种广泛使用的描述技术获得微观结构的细节纳米薄膜介质(如厚度、界面粗糙度、密度变化等)。这项技术提供了高精度的厚度薄介质的决心。XRR技术,然而,有局限性,它没有提供任何特定于元素的信息。此外,该技术受到严重的限制在其适用性分析超薄层的厚度sub-nanometre范围,或非常大的结构厚度(> 100海里),以及漫散射薄膜系统。⁴

x射线荧光

x射线荧光光谱仪光谱是一种最简单和最广泛使用的材料半岛综合体育官方APP下载德甲的无损多元素分析的技术。在过去的几年中技术经历了一个显著的进步和证明其适用性等各种领域考古学、环境、地质和材料科学。⁵除了研究应用,技术还发现成功的行业,特别是在维护的质量超纯级化学品、试剂和产品。在传统光谱仪、元素检测敏感性主要是限于µg g¹(ppm)范围;主要是因为大型光谱背景产生的康普顿散射x射线的标本。

全反射x射线荧光(TXRF)

TXRF光谱仪技术的另一个变体,康普顿光谱背景的复杂性在很大程度上消除。这是由于高反射率的平面和低穿透深度的主要衬底材料x射线,事件的x射线掠入射角度允许侵犯。所有这些特性改善TXRF技术检测敏感性的由两个或三个数量级或比传统的光谱仪:通常在十亿分之几大部分元素含量。⁶

掠入射x射线荧光(GIXRF)

TXRF变体之一,通常称为fluorescence-assisted x射线驻波(XSW)是一个强大和灵活的工具展开depth-resolved纳米材料的物理和化学性质,因为它结合了特征x射线反射率(XRR)和光谱仪的技术。总外部条件下的反射镜面的x射线或从多层结构、布喇格反射的传入和反射光束干涉并形成一个XSW字段上的镜面。这个XSW领域也低于镜面延伸至一定深度。它可以用来激发杂质元素嵌入一个薄膜介质。增强的荧光辐射发出的部分样品体积,出席XSW场波腹的位置。这变种的光谱仪技术称为掠入射x射线荧光(GIXRF)。这项技术提供了高精度测定薄膜介质的密度变化。GIXRF分析不仅为纳米材料提供了多维可视化,但它也提供了depth-resolved本地化外国杂质元素在薄膜介质。^7、8几个研究小组最近发现,GIXRF测量可以被成功地用于测定的平均大小纳米颗粒分散在反射表面上的大表面积以及那些镶嵌在聚合物基质中。⁹在最近的研究中,我们已经表明,可以推断出详细信息depth-resolved化学物种形成薄膜的结构和电子性质如果靠近边缘进行x射线吸收测量结合XSW调查。¹⁰

图1所示。TXRF谱测量地下水(a)和椰子果水(b)在单色x射线的能量E₀= 17凯文。Ga (35 ppm)被用来作为一个内部在TXRF量化标准。坚实的绿线,分别是实验和拟合数据而灰色线代表了一个良好的谱估计背景。

环境的应用程序

TXRF进行测量来确定地下水中各种微量元素的存在和椰汁样品。为此,~ 10µL体积的两个水标本用移液器吸取到清洗石英玻璃衬底后添加Ga作为内标元素(35 ppm),没有使用任何稀释过程。水的干渣然后直接用于TXRF激发。数字1 (a)和(b)说明了测量TXRF地下水和椰子汁样本的光谱,分别。通过比较两个光谱,可以看出椰子汁包含几个量却比地下水中微量元素。众所周知,椰子汁细胞分裂素和植物激素的来源提供了丰富的饮食抗癌、抗衰老和anti-thrombolytic效益。表1总结并比较各种微量元素的浓度决定出现在椰子和地下水样品。

表1。确定各种微量元素的浓度在水中和椰子汁。所有的数量都在(毫克L¹),(1毫克L¹= 1 ppm)。

元素	地下水	椰子果实水	谁的指导方针 (饮用水)
Cl	0.04	265年	≤5
K	0.37	1367年	没有定义一个
Ca	3.0	68.0	≤100年(100 - 300年可能会改变水的味道)
“透明国际”	0.17	- - - - - -
V	- - - - - -	0.03
Cr	0.003	0.023	≤0.05
锰	0.012	1.7	≤0.4
菲	0.55	1.8	-50 - 0.5
倪	0.08	0.158	≤0.07
铜	0.026	0.09	≤2
锌	0.03	0.26	0.01 - -0.05
Ga(内部标准)	36.0	36.0	- - - - - -
Br	0.07	3.6	≤0.05
Rb	1磅	2455磅的	- - - - - -
老	0.06	0.2	- - - - - -

^一个每日推荐要求> 3000毫克

纳米材料的描述

纳米薄膜

正如上面所讨论的,角度依赖TXRF,通常称为GIXRF,可以成功地用于评估平面光学表面的微观结构特性和薄层状材料。特别是,确定结构的技术是非常有效的nanolayers沉积在平面抛光硅晶圆。与最近的薄膜生长技术的进步,相当大的兴趣都集中在制造品质一流,薄,纳米结构材料有更好的surface-interface属性和改善层厚度均匀性。结合x射线反射率和GIXRF测量允许结构参数(如厚度、表面粗糙度、胶片密度)确定以及depth-resolved不必要的外国杂质元素的分布,如果有任何在薄膜中,嵌入式。¹¹图2显示了一个计算XRR模式措(4海里)/铜(30 nm)双层薄膜介质,在硅基片上沉积。低频边缘振荡(Kiessig边缘)XRR模式给措薄膜介质结构信息,而高频振荡提供铜厚膜介质的结构信息。XRR-GIXRF测量可以可靠地用于分析异质薄膜结构组成不同的表面和界面性质。

图2。措的x射线反射率计算模式(4海里)/铜(30 nm)双分子层结构,在硅基片上沉积的表面。计算使用GUI-CATGIXRF进行¹¹项目假设入射x射线的能量12凯文。

分析纳米颗粒

分散的纳米粒子的本质放在一个平面上(参见图3)是由很多复杂的短程力。根据表面化学和可用的凝聚力和胶粘剂部队不同颗粒之间以及颗粒与基质,纳米粒子的分散放在一个平面上通常是一个复杂的分布剖面。它可能monodispersive性质或可能遵循一个复杂分布的粒子凝聚体的形式。如此复杂的纳米材料的定量分析是非常具有挑战性的,但仍主要是一个未知的问题。目前可用的表面描述技术没有广泛适用于此类复杂纳米材料的形态分析。下面,它已经表明GIXRF测量可以使用作为一个敏感的探测器描述分散的纳米颗粒的性质在平坦的表面。¹²

图3。图解插图显示纳米颗粒的分布不同的元素在一个平面上。

确定纳米粒子的大小和形状

演示的能力GIXRF技术的决心大小分布的纳米粒子在平坦的表面,¹³进行数值模拟。GIXRF计算期间,金纳米颗粒的平均直径~ 30 nm和组成不同的粒度分布配置文件已经被考虑。图4 (a)、(b)和(c)显示计算GIXRF概要文件为非盟团簇在15.0 keV入射x射线能量r.m.s.假设不同粒度分布的变化(s)(分别为2纳米,8和12 nm)。从图4可以看出,GIXRF概要进行一个系统的变化如果非盟团簇的r.m.s.价值改变从2 nm 12海里。下面GIXRF配置文件中的Au-La强度调节临界角(q_C~ 0.12°)迅速变化和合并在一起作为r.m.s.粒子大小增加时的变化。insets的图4 (a)、(b)和(c),分布的非盟纳米颗粒大小的函数(正常频率、粒径)。

数值模拟也被进行了有效地确定GIXRF测量可以用来区分不同形状的纳米粒子。保持一致性的解释关于以前的结果,类似大小的Au纳米颗粒(平均直径~ 30 nm)被认为是。在数值模拟中,不同形状的纳米颗粒被认为是。图4 (d)代表一个球形纳米颗粒模拟GIXRF概要,而图4 (e)描绘了一个模拟GIXRF概要的圆柱形状(即一个奈米棒)。在这两种情况下,r.m.s.变异s ~ 2纳米粒度分布的假定。计算进行了考虑事件15 keV x射线的能量。通过比较图4 (d)和4 (e),可以看出以下Au-La荧光产量显示了强烈的变化问_C时,纳米颗粒的形状变化从球面到圆柱。这些结果清楚地表明,形状参数调节纳米粒子的GIXRF概要文件。这样的测量可以成功地用来区分不同形状的金属纳米粒子(例如nanosphere、奈米棒等)。

图4。计算Au-Lα盟团簇的荧光档案分散在硅表面15.0 keV的入射x射线能量。计算进行了假设平均粒径~ 30 nm和考虑不同r.m.s.变化(σ)的粒度分布(a)σ= 2 nm, (b)σ= 8海里和(c)σ= 12海里。计算也进行了解释不同形状的纳米粒子的影响。~ 30 nm直径(d) Nano-sphere, (e)奈米棒(身高= 30 nm)。图与许可复制参考13日版权©2017年约翰·威利& Sons有限公司

GIXRF测量也允许一个评估纳米颗粒的分布是否在衬底表面上的展品monodispersion还是城市群形式。¹⁴图5(一个)显示一个记录GIXRF概要文件为铁纳米颗粒的平均直径的单分散的分布~ 20±1纳米的硅衬底。图5 (b)演示了GIXRF姿态测量的凝聚分布类似铁纳米颗粒在硅衬底表面。图5中的insets SEM照片在各自的情况下。这里可以看到,GIXRF测量是相当敏感的,可以区分自然分布的纳米粒子在衬底表面。

图5。(a)的测量和安装GIXRF概要文件在硅基片上不同分布形式的铁纳米颗粒。(一)单分散的铁纳米粒子的分布和(b)凝聚铁纳米颗粒的分布。分散的点显示测量实验数据而坚实的红线是安装GIXRF曲线。insets显示扫描电镜图像的铁粒子在每种情况下。从参考14的许可复制AIP出版。

结论

已经表明XRR和GIXRF是强大的和补充工具来描述depth-resolved surface-interface性质的纳米材料沉积在一个平坦的表面光滑。这项技术允许一个直接估计平均粒径、颗粒形状、分散的纳米粒子在衬底表面的性质。元素GIXRF方法的特异性是另一个潜在的功能。单一度量值足以确定纳米粒子的平均尺寸大的表面积,从而避免必须执行一些测量标本的小区域,这通常需要在其他传统的探针。对其固有的性质,技术可以成功地用来分析各种纳米材料的表面形态,分散的抛光表面或嵌入矩阵,大部分表面几个纳米以下。

确认

作者要感谢博士A.K. Sinha和Sh。刚达哈Das,同步加速器利用部分,为本文的富有成果的讨论和建议在准备。

引用

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