XRD性質分析方法

1、Faculty of Science BUCT第二章第二章 X-射線衍射線衍射法射法X-ray Diffraction (XRD)BUCTChem 533XRD8/24/05 Faculty of Science目錄目錄引言2.1 X-射線的本質、產生與探測2.2 晶體學知識2.3 X-射線衍射法原理2.4 X-射線粉末衍射（實驗方法）2.5 X-射線在物相分析中的應用BUCTChem 533XRD8/24/05 Faculty of Science 利用 X射線照射晶體(或某些非晶態(tài)物質)時產生的衍射研究晶體內部結構(即內部原子排布)的分析技術。在金屬學中用於瞭解成分對結構的影響金屬性能變化

2、的本質和金屬經過各種處理過程時結構變化的機制。X射線衍射(X-Ray Diffraction:XRD)技術是揭示晶體內部原子排列狀況最有力的工具，它在物質結構研究中具有特殊的作用。在催化劑研究中，它主要用于物相鑒定、物相分析及晶胞參數(shù)的測定，由它可以獲得許多有用的結構信息，使催化劑的許多宏觀物理性質與微觀結構的特點相關連；也可用來研究物質的分散度，鑒別催化劑所含的元素；還可用于研究制備工藝、處理條件對催化劑微觀結構的影響。引言BUCTChem 533XRD8/24/05 Faculty of ScienceX-Ray Diffraction(XRD)q 唯一的確認材料中晶體相的手段q 結構性質

3、 應力應力 粒子尺寸粒子尺寸 Epitaxy Epitaxy晶體取向晶體取向f f附生附生q 測定薄膜的厚度q 無定型材料中的原子排布相組成相組成優(yōu)先取向優(yōu)先取向 缺陷結構缺陷結構(包括聚合物)和界面上H ZhangBUCTChem 533XRD8/24/05 Faculty of Science2.1 X射線的產生和性質射線的產生和性質2.1.1 導論導論2.1.2 X射線的產生射線的產生2.1.3 X射線的性質射線的性質BUCTChem 533XRD8/24/05 Faculty of ScienceH ZhangBUCTBUCTX-Rays ? wavelength :0.01 100

4、Angstrom 特征射線及其衍射 X射線是一種波長很短(200.06A的電磁波能穿透一定厚度的物質并能使熒光物質發(fā)光照相乳膠感光氣體電離。2.1.1 導論導論BUCTChem 533XRD8/24/05 Faculty of ScienceH ZhangBUCTBUCTX-Rays1895 Roentgen(X-Rays) 射射線線照相照相術術RadiographyX射線的波長和晶體內部原子間的距離(10-8cm)相近1912年勞厄(德物 M.von Laue)提出一重要的科學預見：-晶體可以作為X射線的空間衍射光柵即當一束 X射線通過晶體時將發(fā)生衍射衍射波疊加使射線強度在某些方向上加強在其

5、他方向上減弱。分析在照相底片上得到的衍射花樣便可確定晶體結構。-實驗所證實BUCTChem 533XRD8/24/05 Faculty of Science 1913年布拉格父子(英物 W.H. Bragg, W.L. Bragg)在勞厄發(fā)現(xiàn)的基礎上不僅成功地測定了NaCl KCl等的晶體結構并提出了著名公式 Bragg 定律 -晶體衍射基礎Braggs law wavelength : 0.01 100 Angstrom BUCTChem 533XRD8/24/05 Faculty of Science2.1.2 2.1.2 X-X-射線的產生射線的產生固體靶源固體靶源等離子體源等離子體源同

6、位素同位素核反應核反應其他其他8/24/05 Faculty of Science特征特征 X-rays與與X X射線光譜射線光譜這一系列躍遷（無輻射躍遷除外）這一系列躍遷（無輻射躍遷除外）都以都以X X射線的射線的形式放出能量形式放出能量，即發(fā)射，即發(fā)射特征的特征的X X射線光譜射線光譜。8/24/05 Faculty of ScienceH ZhangBUCTBUCT特征特征 X-raysBUCTChem 533XRD8/24/05 Faculty of ScienceX射線管射線管 n 固體靶源固體靶源BUCTChem 533XRD8/24/05 Faculty of Science轉靶

7、轉靶譜譜 (Kramer Law) 連續(xù)譜連續(xù)譜I(E) - IntensityE x-ray energy(Delta= 1eV) W/eVK - constant P0 incident power (W)Z - target atom numbern 1E0 incident electron energy（KeV） 特征譜特征譜 X-lines : KX-lines : Ka a, ,b b and L and La,ba,b etc. etc. K Ka a : K: Ka a1 1, , K Ka a 2 2B ConstantF(x) Target material Cons.E

8、c Critical energy特征譜特征譜連續(xù)譜連續(xù)譜I(E)=BN(Z)F(x)(E0-Ec)mI(E)=P0KZn(E0-E)/E0BUCTChem 533XRD8/24/05 Faculty of Science2.1.3 X射線的性質射線的性質n X X射線的吸收射線的吸收n X X射線的散射射線的散射n X X射線光學射線光學n X X射線探測器射線探測器BUCTChem 533XRD8/24/05 Faculty of Science當一束能量為E的X射線穿透物質時,它的強度會因為物質的吸收而有所衰減，這是由于X射線和物質相互作用的結果，其作用有以下兩種：（1）X射線光子被原子

9、吸收，而原子本身發(fā)生電離，發(fā)出光電子，這是光電子效應。（2）它們可能仍然是光子，但偏離了原來的方向，即發(fā)生了散射。X射線透過一層均勻物質時由于和物質相互作用，發(fā)生了光電效應和散射現(xiàn)象，直接透過減少了，強度減弱，其透射強度I與入射強度I0的關系滿足下式： (1)式中d為物質厚度，(E)為吸收系數(shù)，其大小反映物質吸收X射線的能力，是X射線光子能量的函數(shù)。 dEeII0n X X射線的吸收射線的吸收BUCTChem 533XRD8/24/05 Faculty of Science物質對X射線的吸收是原子現(xiàn)象，對于復雜化合物，近似地等于結合成該物質的各元素吸收之和，在這里適用相加法則的原因是：被吸收的

10、X射線光子主要激發(fā)原子的內能級，因此外殼層電子的狀態(tài)對吸收影響很小。前面已經指出，物質使X射線減弱是由兩個過程產生的，光電過程和散射過程，因此質量吸收系數(shù)也可分為兩個部分，即： 。 稱為質量吸收系數(shù)， 稱為散射系數(shù)，對于X射線分析所用的波長以及原子序數(shù)大于10的物質來說， 在這種情況下 ，即減弱系數(shù)等于吸收系數(shù)。BUCTChem 533XRD8/24/05 Faculty of Sciencen X X射線的吸收射線的吸收I=I0exp(- t)Line absorption coefficient l=log(I0/I)/t (cm-1)Mass absorption coefficient

11、 m= / (cm2/g)Atom absorption coefficient a= / A/N (cm2/atom)Mol absorption coefficient mol=( / )A (cm2/molBUCTChem 533XRD8/24/05 Faculty of Science對混合物和化合物對混合物和化合物 m=wi I (wi mass ratios)對連續(xù)對連續(xù)X X射線射線 m=wi i ( i different wavelength)重要重要! m photo electron + scattering + e+,e-Photo absorption section = A/NBUCTChem 533XRD8/24/05 Faculty of Sciencen X X射線光學射線光學BUCTChem 533XRD8/24/05 Faculty of Sciencen X射線的探測射線的探測正比計數(shù)器正比計