X射線衍射分析

1、X射線衍射分析1 實驗?zāi)康?、了解X衍射的基本原理以及粉末X衍射測試的基本目的；2、掌握晶體和非晶體、單晶和多晶的區(qū)別；3、了解使用相關(guān)軟件處理XRD測試結(jié)果的基本方法。2 實驗原理1、 晶體化學(xué)基本概念 晶體的基本特點與概念：質(zhì)點（結(jié)構(gòu)單元）沿三維空間周期性排列（晶體定義），并有對稱性?？臻g點陣：實際晶體中的幾何點，其所處幾何環(huán)境和物質(zhì)環(huán)境均同，這些“點集”稱空間點陣。晶體結(jié)構(gòu)=空間點陣+結(jié)構(gòu)單元。非晶部分主要為無定形態(tài)區(qū)域，其內(nèi)部原子不形成排列整齊有規(guī)律的晶格。對于大多數(shù)晶體化合物來說，其晶體在冷卻結(jié)晶過程中受環(huán)境應(yīng)力或晶核數(shù)目、成核方式等條件的影響，晶格易發(fā)生畸變。分子鏈段的排列與纏繞受

2、結(jié)晶條件的影響易發(fā)生改變。晶體的形成過程可分為以下幾步：初級成核、分子鏈段的 圖1 14種Bravais點陣表面延伸、鏈松弛、鏈的重吸收結(jié)晶、表面成核、分子間成核、晶體生長、晶體生長完善。Bravais提出了點陣空間這一概念，將其解釋為點陣中選取能反映空間點陣周期性與對稱性的單胞，并要求單胞相等棱與角數(shù)最多。滿足上述條件棱間直角最多，同時體積最小。1848年Bravais證明只有14種點陣。晶體內(nèi)分子的排列方式使晶體具有不同的晶型。通常在結(jié)晶完成后的晶體中，不止含有一種晶型的晶體，因此為多晶化合物。反之，若嚴格控制結(jié)晶條件可得單一晶型的晶體，則為單晶。2、X衍射的測試基本目的與原理 X射線是電

3、磁波,入射晶體時基于晶體結(jié)構(gòu)的周期性，晶體中各個電子的散射波可相互干涉。散射波周相一致相互加強的方向稱衍射方向。衍射方向取決于晶體的周期或晶胞的大小,衍射強度是由晶胞中各個原子及其位置決定的。由倒易點陣概念導(dǎo)入X射線衍射理論, 倒易點落在Ewald 球上是產(chǎn)生衍射必要條件。1912年勞埃等人根據(jù)理論預(yù)見，并用實驗證實了X射線與晶體相遇時能發(fā)生衍射現(xiàn)象，證明了X射線具有電磁波的性質(zhì)，成為X射線衍射學(xué)的第一個里程碑。當一束單色X射線入射到晶體時，由于晶體是由原子規(guī)則排列成的晶胞組成，這些規(guī)則排列的原子間距離與入射X射線波長有相同數(shù)量級，故由不同原子散射的X射線相互干涉，在某些特殊方向上產(chǎn)生強X射線

4、衍射，衍射線在空間分布的方位和強度，與晶體結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。這就是X射線衍射的基本原理 。衍射線空間方位與晶體結(jié)構(gòu)的關(guān)系可用布拉格方程表示：式中d為晶面間距；n為反射級數(shù)；為掠射角；為X射線的波長。布拉格方程是X射線衍射分析的根本依據(jù)。X 射線衍射(XRD)是所有物質(zhì)，包括從流體、粉末到完整晶體，重要的無損分析工具。對材料學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、地質(zhì)、環(huán)境、納米材料、生物等領(lǐng)域來說，X射線衍射儀都是物質(zhì)結(jié)構(gòu)表征，以性能為導(dǎo)向研制與開發(fā)新材料， 宏觀表象轉(zhuǎn)移至微觀認識,建立新理論和質(zhì)量控制不可缺少的方法。其主要分析對象包括：物相分析(物相鑒定與定量相分析)。晶體學(xué)（晶粒大小、指標化、點參測定、解結(jié)構(gòu)等）。

5、薄膜分析(薄膜的厚度、密度、表面與界面粗糙度與層序分析，高分辨衍射測定單晶外延膜結(jié)構(gòu)特征)?？棙?gòu)分析、殘余應(yīng)力分析。不同溫度與氣氛條件與壓力下的結(jié)構(gòu)變化的原位動態(tài)分析研究。微量樣品和微區(qū)試樣分析。實驗室及過程自動化、組合化學(xué)。納米材料等領(lǐng)域。3 儀器與試劑儀器型號及生產(chǎn)廠家：丹東浩元儀器有限公司DX-2700型衍射儀。測試條件：管電壓40KV；管電流40mA；X光管為銅靶，波長1.5417Å；步長0.05°，掃描速度0.4s；掃描范圍為20°80°。試劑：未知樣品A。4 實驗步驟1、打開電腦主機電源。2、開外圍電源：先上撥墻上的兩個開關(guān)，再開穩(wěn)壓電源（上

6、撥右邊的開關(guān)，標有穩(wěn)壓）。3、打開XRD衍射儀電源開關(guān)（按下綠色按鈕）。4、開冷卻水：先上撥左邊電源開關(guān)，再按下RUN按鈕，確認流量在20左右方可。5、開高壓（順時針旋轉(zhuǎn)45°，停留5s，高壓燈亮）。6、打開XRD控制軟件XRD Commander。7、防光管老化操作：按照20KV、5mA；25KV、5mA；30KV、5mA；35KV、5mA；40KV、5mA；40KV、40mA程式分次設(shè)置電壓、電流，每次間隔3分鐘。設(shè)置方法：電壓、電流跳到所需值后點set。8、設(shè)置測試條件：設(shè)置掃描角度為3°80°，步長0.05°，掃描速度0.4s。9、點擊Start

7、開始測試。10、降高壓：將電壓、電流分別降至20KV，5mA后，點擊Set確認。11、關(guān)高壓：逆時針旋轉(zhuǎn)45°，高壓燈滅。12、等待5min，再關(guān)閉冷卻水，先關(guān)RUN，再關(guān)左邊電源。13、關(guān)閉控制軟件（XRD Commander）。14、關(guān)XRD衍射儀電源開關(guān)（按下紅色按鈕）。15、關(guān)電腦。16、關(guān)外圍電源。5 實驗數(shù)據(jù)及結(jié)果本實驗測定了一種粉末樣品的XRD圖譜并對測定結(jié)果進行物相檢索，判斷待測樣品主要成分、晶型及晶胞參數(shù)。粉末樣品的XRD圖譜：圖2 未編號粉末樣品X-Ray衍射圖譜6 實驗結(jié)果分析與討論數(shù)據(jù)處理：對圖譜進行物相檢索結(jié)論：經(jīng)過對樣品譜圖進行物相檢索，發(fā)現(xiàn)該粉末樣品中含

8、有兩種晶相，主相為Sr2CaMoO6,另外一種雜相為SrMoO4.7 思考題1、簡述X射線衍射分析的特點和應(yīng)用。答：X射線衍射儀具有易升級，操作簡便和高度智能化的特點，靈活地適應(yīng)地礦、生化、理化等多方面、各行業(yè)的測試分析與研究任務(wù)。X 射線衍射(XRD)是所有物質(zhì)，包括從流體、粉末到完整晶體，重要的無損分析工具。對材料學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、地質(zhì)、環(huán)境、納米材料、生物等領(lǐng)域來說，X射線衍射儀都是物質(zhì)結(jié)構(gòu)表征，以性能為導(dǎo)向研制與開發(fā)新材料， 宏觀表象轉(zhuǎn)移至微觀認識,建立新理論和質(zhì)量控制不可缺少的方法。其主要分析對象包括：物相分析(物相鑒定與定量相分析)。晶體學(xué)（晶粒大小、指標化、點參測定、解結(jié)構(gòu)等）。薄膜分析(薄膜的厚度、密度、表面與界面粗糙度與層序分析，高分辨衍射測定單晶外延膜結(jié)構(gòu)特征)?？棙?gòu)分析、殘余應(yīng)力分析。不同溫度與氣氛條件與壓力下的結(jié)構(gòu)變化的原位動態(tài)分析研究。微量樣品和微區(qū)試樣分析。實驗室及過程自動化、組合化學(xué)。納米材料等領(lǐng)域。2、簡述X射線衍射儀的工作原理。答：用高能電子束轟擊金屬“靶”材產(chǎn)生X射線，X射線的波長和晶體內(nèi)部原子面間的距離相近，當一束 X射線通過晶體時將發(fā)生衍射，衍射波疊加的結(jié)果使射線的強度在某些方向上加強，在其他方向上減弱。當X射線以掠角(入射角的余角)入射到某一點陣晶格間距為d的晶面上時,