1、X射线衍射分析目录一、X射线衍射分析根底 二、X射线衍射的根本原理三、X射线衍射仪器与制样四、X射线衍射分析一、X射线衍射分析根底X射线的定义射线的定义X射线是波长介于紫外线和射线 间的电磁辐射。X射线是一种波长很短的电磁波，其波长约介于0.01100埃之间。由德国物理学家W.K.伦琴于1895年发现，故又称伦琴射线。一、X射线衍射分析根底welcome to use these PowerPoint templates,New Content design,10 years experienceX衍射分析历史1895年伦琴发现具有特别强的穿透力的X射线1912年德国物理学家劳埃发现X射线通过
2、晶体 时产生衍射现象，证明了X射线的波动性和晶 体内部构造的周期性1912年小布拉格提出著名的布拉格方程1913年老布拉格设计出第一台X射线分光计，并发现了特征X射线welcome to use these PowerPoint templates,New Content design,10 years experienceX射线的产生灯丝中发出的电子到达一定的能量，电子受高压电场的作用以高速轰击靶 面，会把靶面材料中的K层电子空出，处于激发态，其它层的电子跃入，能 量降低，发出X射线波长范围0.05 0.25 nm，穿透力强X射线管：阳极靶阴极灯丝常用Cu、Cr、Fe、Ni等第一节第一节 X
3、射线衍射分析根底射线衍射分析根底热阴极X射线管示意图X射线谱连续谱连续谱X射线射线 由高速电子与阳极靶的原子碰撞时，电子失去动能所发射的光子所形成特征谱特征谱X射线射线 其产生与阳极物质的原子内部构造严密相关 在X射线多晶衍射中，主要利用K系辐射，它相当于一束单色X射线Cu靶产生的X射线谱Cu Ka radiation,l=1.54178 连连续续X X射射线线特特征征X X射射线线第二节 X射线衍射的根本原理由于干预的存在，产生不同的 衍射把戏，可用于分析晶体的 性质必须事先建立X射线衍射的方 向和强度与晶体构造之间的对 应关系衍射：光线照射到物体边沿后通过散 射继续在空间发射的现象 X射线
4、衍射方向射线衍射方向衍射方向实际上就是衍射条件问题，可用布拉格方程描述选择反射只有当l、q和d三者之间满足布拉格方程时才能发生反射产生衍射的极限条件能够被晶体衍射的电磁波的波长必须小于参加反射的晶体中最大面间距的2倍 /2衍射级数n称为衍射级数n=1称为一级衍射，n=2称为二级衍射lndsin2 X射线分析应用射线分析应用布拉格方程把晶体的周期性的特点d、X射 线的本质与衍射规律结合起来，利用衍射实验只要知道其中两个就可以计算出第 三个，测定，计算d可以确定晶体的周期构造晶体构造分析XRDd，测定，计算出，可以研究产生X射线特征波长，从而确定物质是由何种元 素组成的，含量多少X射线波谱分析 X
5、RF晶体对X光的衍射第二节 X射线衍射的根本原理衍射仪的组成衍射仪的组成X光管样品台测角仪检测器ZnO的XRD图 衍射强度2衍射曲线常规的照相法与X射线衍射仪法记录到的衍射图谱之差异 样品制备样品制备 粉体样品的制备粉体样品的制备样品的颗粒度对样品的颗粒度对X射线的衍射强度以及重现射线的衍射强度以及重现性有很大的影响性有很大的影响颗粒越大，那么参与衍射的晶粒数就越少，颗粒越大，那么参与衍射的晶粒数就越少，还会产生初级消光效应，使得强度重现性还会产生初级消光效应，使得强度重现性较差较差一般要求粉体样品的颗粒度大小在一般要求粉体样品的颗粒度大小在 0.1-10 mm范围范围 样品制备样品制备 粉体
6、样品的制备粉体样品的制备选择参比物质时，尽可能选择结晶完好，选择参比物质时，尽可能选择结晶完好，晶料小于晶料小于 5 mm，吸收系数小的样品，吸收系数小的样品MgO、Al2O3、SiO2)采用压片、胶带粘、石蜡分散的方法进采用压片、胶带粘、石蜡分散的方法进展制样展制样由于由于X射线的吸收与其质量密度有关，射线的吸收与其质量密度有关，要求样品制备均匀，否那么严重影响定要求样品制备均匀，否那么严重影响定量结果的重现性量结果的重现性 样品制备样品制备薄膜样品的制备薄膜样品的制备需要注意薄膜的厚度需要注意薄膜的厚度一般适合比较厚的薄膜一般适合比较厚的薄膜要求样品具有比较大的面积，薄膜比较平要求样品具有
7、比较大的面积，薄膜比较平整以及外表粗糙度要小整以及外表粗糙度要小特殊样品的制备特殊样品的制备对于样品量比较少的粉体样品对于样品量比较少的粉体样品分散在胶带纸上黏结或分散在石蜡油中，分散在胶带纸上黏结或分散在石蜡油中，形成石蜡糊形成石蜡糊分散均匀且每次分散量控制一样分散均匀且每次分散量控制一样第四节 X射线衍射分析X射线衍射分析可给出材料中物相的射线衍射分析可给出材料中物相的构造及元素的状态信息构造及元素的状态信息XRD物相定性分析物相定性分析利用利用XRD衍射角位置及强度，鉴定未衍射角位置及强度，鉴定未知样品是由哪些物相所组成知样品是由哪些物相所组成比照粉末衍射标准联合会比照粉末衍射标准联合会
8、JCPDS出版的粉末衍射卡片出版的粉末衍射卡片PDF卡片卡片看看“三强线三强线 PDF卡片卡片每张 PDF 卡片列出一种单相物质包括元素单质、合金、无机化合物、矿物、有机化合物和金属有机化合物的多晶 X 射线衍射数据PDF 卡片号51-0939，并标出衍射数据的质量(图中为C)，分别是：高质量实测数据，C根据实测的单晶体构造数据计算而得的理论数据，I衍射图已指标化，数据可靠，Q数据质量符合要求，D已被质量更高的卡片所替代 列出物质的分子式，英文名称和有关的参考文献列出化合物的 CA(Chemical Abstracts)序列号 PDF卡片卡片列出物质的结晶学数据，包括：分子量，晶胞体积，理论和
9、实测比重，所属空间群，晶胞参数等列出了有关的实验数据，包括：同样质量的样品最强衍射线与a-Al 2O3(刚玉)最强衍射线的强度比，实验中所用的X射线种类和波长，实验中是否使用了单色器和滤色片等等列出粉末衍射的棒图，衍射峰角度(或d值)，相对强度，衍射指标等PDF 卡片是进展物相鉴定的重要依据有光盘版发行，可根据实测的多晶X射线衍射图谱自动进展物相检索 物相定量分析物相定量分析每一种物相都有各自的特征衍射线，而衍射的强度与物相的质量成正比，各物相衍射线的强度随该相含量的增加而增加K 是与测试条件、第 J相的晶体构造以及所选择的衍射线有关的常数；为样品对入射X射线的质量吸收系数，随样品中物相组成的
10、改变而变化；CJ为第J相在样品中的体积分数，即样品中第J相的体积与样品总体积之比 物相定量分析方法物相定量分析方法单线条法内标法直接比较法增量法 单线条法单线条法是最简单的定量方法，但准确稍差把多相混合物中待测物相的某根衍射线强度与该相纯试样的同指数衍射强度相比较要求两次实验时仪器的状态和条件必须严格一样样品中该物相与纯相相近 内标法内标法将一种己知物相百分含量的标准物质添加到含有未知物相的测试样品中，充分混合以获得待测物相含量的方法最常用最有效 该物相的情况根本与纯相相近 直接比较法直接比较法以试样自身中某相作为标准进展强度比较的方法适合于粉体和块状样品的定量容易受样品中物相自身状况影响 增
11、量法增量法在多相混合物中，对待测物相进展一次增量，然后根据测定的衍射强度进展计算，获得待测相的含量 晶粒大小的测定晶粒大小的测定多晶材料的晶粒大小是决定其物理化学性质的一个重要因素对于纳米材料，其晶粒大小直接影响到材料的性能XRD测量纳米材料晶粒大小原理：衍射线的宽度与材料晶粒大小有关限制：晶粒要小于100nm 晶粒大小的测定晶粒大小的测定 Scherrer公式 计算中还需要考虑 仪器的影响，尤其是仪器的宽化效应 根据晶粒大小还 可以计算晶胞的堆垛层数lcos/2/1BKD D是沿晶面垂直方向的厚度，也可以认为是晶粒大小K是衍射峰形Scherrer常数，一般取0.89l是入射X射线的波长是布拉
12、格衍射角B1/2是衍射的半峰宽，单位为弧度TiO2 纳米材料晶粒大小测定 对于TiO2纳米粉体，衍射峰2为21.5，为101晶面 当采用Cu Ka，波长为0.154nm，衍射角的2为25.30，半高宽为0.375 根据Scherrer公式，可以计算获得晶粒的尺寸 D10121.5 nm根据晶粒大小还可以计算出晶胞的堆垛层数N=D101/d101=21.5/0.352=61根据晶粒大小，还可以计算纳米粉体的比外表积 当纳米材料的晶体密度r和晶粒大小 利用公式s=6/rD进展比外表计算 小角小角X X射线衍射射线衍射在纳米多层膜材料中，两薄膜层材料反复重叠，形成调制界面周期良好的调制界面，产生相干
13、衍射，形成明锐的衍射峰对于制备良好的小周期纳米多层膜可以用小角度XRD方法测定其调幅周期大周期多层膜调制界面的XRD衍射峰因衍射角度太小而无法观察纳米TiN/AlN薄膜样品的XRD谱S2样品在2=4.43时出现明锐的衍射峰,其对应的调制周期为1.99nmS3.5样品的2=2.66,调制周期为3.31nm分别与其设计周期2nm和3.5nm近似相等 小角小角X射线衍射射线衍射XRD的小角衍射可以用来研究纳米介孔的小角衍射可以用来研究纳米介孔材料的介孔构造材料的介孔构造介孔材料可以形成很规整的孔，可以看介孔材料可以形成很规整的孔，可以看作多层构造作多层构造通过测定测定孔壁之间的距离来获得介通过测定测
14、定孔壁之间的距离来获得介孔的直径孔的直径是目前测定纳米介孔材料构造最有效的是目前测定纳米介孔材料构造最有效的方法之一方法之一对于排列不规整的介孔材料不能获得其对于排列不规整的介孔材料不能获得其孔径大小孔径大小已二胺处理前后粘土的XRD曲线处理土的晶面间距(d001)由原来的13.1膨胀到14.0说明有机阳离子与粘土晶层间的水合阳离子进展了交换 剩余应力是指当产生应力的各种因素不复存在时，由于形变，相变，温度或体积变化不均匀而存留在构件内部并自身保持平衡的应力在无应力存在时，各晶粒的同一hkl晶面族的面间距都为d0应力的测定应力的测定薄膜厚度和界面构造测定XRD研究Au/Si薄膜材料的界面物相分布 物质状态的鉴别不同的物质状态对X射线的衍射作用是不一样的，因此可以利用X射线衍射谱来区别晶态和非晶态 一般非晶态物质的XRD谱为一条直线 漫散型峰的XRD一般是由液体型固体和气体型固体所构成 微晶态具有晶体的特征，但由于晶粒小会产生衍射峰的宽化弥散，而结晶好的晶态物质会产生锋利的衍射峰不同材料状态以及相应的XRD谱示意图
