X射線粉末衍射儀法

1、X射線粉末衍射儀法摘要本實(shí)驗(yàn)采用X射線粉末衍射儀法，對(duì)樣品叩2、薄膜ZnO和二者的混合物等多晶樣品進(jìn)行了X射線衍射掃描。實(shí)驗(yàn)測(cè)得1；02的結(jié)構(gòu)為體心立方,ZnO為六角密排結(jié)構(gòu)：由己知*02和ZnO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比為1：1的混合物定標(biāo)得出另外一種混合物中*02和ZnO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)之比約為2.54:1,實(shí)驗(yàn)還測(cè)量了ZnO薄膜樣品的晶粒人小為230.40Ao關(guān)鍵/司X射線粉末衍射儀法物相分析PDF卡1引言X射線是一種波長(zhǎng)介于紫外線與Y射線之間的電磁波，其波長(zhǎng)約為0.01-100A間，能穿透一定厚度的物質(zhì)，并能使熒光物質(zhì)發(fā)光、照相乳膠感光、氣體電離。1912年德國(guó)物理學(xué)家勞厄(M.VonLaue)發(fā)現(xiàn)了晶體

2、的X射線衍射現(xiàn)象。同年，英國(guó)物理學(xué)家布拉格父子(W.H.Bragg,W丄.Bragg)在勞厄發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，提出著名的X射線的布拉格衍射方程，并首次用X射線衍射法測(cè)定出氯化鈉的晶體結(jié)構(gòu)。1916年德國(guó)科學(xué)家德拜和寫(xiě)了提出了X射線粉末衍射儀法，揭開(kāi)了利用多晶樣品進(jìn)行晶體結(jié)構(gòu)測(cè)定的序幕。X射線衍射法已經(jīng)成為研究原子、分子和晶體結(jié)構(gòu)的重要手段之一，被廣泛用于晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)測(cè)定、材料的物相分析和亞微觀晶粒的大小分布測(cè)量等方面。物相分析是X射線衍射在金屬中用得最多的方面，分定性分析和定量分析。前者把對(duì)材料測(cè)得的點(diǎn)陣平面間距及衍射強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)物相的衍射數(shù)據(jù)相比較，確定材料中存在的物相;后者則根據(jù)衍射花樣的強(qiáng)度，

3、確定材料中各相的含量。在研究性能和各相含量的關(guān)系和檢查材料的成分配比及隨后的處理規(guī)程是否合理等方面都得到廣泛應(yīng)用。本實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)掌握多晶X射線粉末衍射儀的原理與基本操作，熟悉定性物相分析的步驟及PDF數(shù)據(jù)庫(kù)的使用方法，了解定量物相分析，精確測(cè)定晶格常數(shù)及晶粒人小測(cè)量等實(shí)驗(yàn)方法。2.原理2.1理論晶體的粉末X射線衍射圖的衍射峰的強(qiáng)度和對(duì)應(yīng)的衍射角是由晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性決定的。衍射峰對(duì)應(yīng)的衍射角取決于晶胞人小和形狀，以此可以對(duì)樣品組成進(jìn)行定性物相分析；而你是否的強(qiáng)度取決于晶胞內(nèi)原子的類型及分布，這是利用X射線衍射進(jìn)行定量物相分析的基礎(chǔ)。2.1.1定性物相分析晶體的粉末X射線衍射圖譜上的各個(gè)衍射峰的強(qiáng)度和

4、對(duì)應(yīng)的衍射角是由晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的，通常衍射峰對(duì)應(yīng)的衍射角取決于晶胞的人小和形狀，而衍射峰的強(qiáng)度取決于晶胞內(nèi)原子的類型及分布，這是利用X射線衍射進(jìn)行定量物相分析的基礎(chǔ)。定性物相分析的關(guān)鍵就是將獲得的位置樣品的衍射圖譜與已知化合物衍射圖譜（PDF卡片，國(guó)際粉末衍射標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)合會(huì)制定）進(jìn)行一一比對(duì)，當(dāng)未知材料的圖譜滿足樣品衍射圖譜中能找到某組分物相應(yīng)該出現(xiàn)的各衍射峰和所有的衍射峰相對(duì)強(qiáng)度順序應(yīng)與已知組分物相的強(qiáng)度順序原則上保持一致（除薄膜等）兩個(gè)條件時(shí)，便可以確定樣品的組成部分。一般在檢索的過(guò)程中，普通的樣品采用哈那瓦特方法，懷疑具冇擇優(yōu)取向的樣品采用芬克法進(jìn)行。2.1.2定量物相分析定量物相分析方法

5、的主要目的是確定了樣品的組成部分后來(lái)確定各組成部分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，可以采用的方法有：內(nèi)標(biāo)法、參考強(qiáng)度比法等，本實(shí)驗(yàn)采用內(nèi)標(biāo)法進(jìn)行測(cè)量。對(duì)于多相混合物，衍射強(qiáng)度與物相之河有如下關(guān)系:必幾=&幾理kP5(/Z/P)xnJ(1)其中：K磁與Kj,是與晶體結(jié)構(gòu)因子、衍射角度相關(guān)的常數(shù)，怎與R是各個(gè)物相的密度,乂么和X,是各個(gè)物相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。2.13關(guān)于頻譜的分析與德拜照相法頻譜是圓狀不同，粉末衍射儀法的頻譜是線狀的，這是與他們不同的實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)有關(guān)的，德拜照相法的入射X射線是半徑比較小的圓柱光線，所用的樣品時(shí)半徑只有0.5mm的小圓柱棒，所用樣品也有要求：試樣粉末尺寸大小要適中，試樣粉末不能存在應(yīng)力，當(dāng)X

6、射線正照射上去時(shí)，形成的衍射頻譜是圓形的；而本實(shí)驗(yàn)所用的方法X射線的范圍較廣，樣品表面是一個(gè)極近似平面，原理類似平面鏡反射，又由于晶面具有不連續(xù)性，所以出射光就是不連續(xù)的線狀光譜。2.2實(shí)驗(yàn)2.2.1實(shí)驗(yàn)儀器原理實(shí)驗(yàn)采用的裝置如圖1所示，該衍射儀主要包括X射線發(fā)生器、測(cè)角儀、探測(cè)儀與操作與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。其測(cè)量原理為將待測(cè)晶體磨成粉末壓平后放在X射線粉末衍射儀上，每當(dāng)樣品轉(zhuǎn)過(guò)e角時(shí)，探頭就轉(zhuǎn)過(guò)26,這樣就保證在每一固定角位置處，探頭只能探測(cè)到與此時(shí)角度相對(duì)應(yīng)的晶面的衍射光線，當(dāng)樣品轉(zhuǎn)過(guò)時(shí)180,系統(tǒng)就能掃描出晶體完整的衍射峰隨角度變化的圖譜。B1X射線衍射儀結(jié)構(gòu)示青團(tuán)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容按照實(shí)驗(yàn)要求制作樣品

7、，分別對(duì)四種樣品進(jìn)行X光衍射及數(shù)據(jù)采集，對(duì)于前三種樣品利用軟件按照實(shí)驗(yàn)要求操作獲取衍射峰的峰位、半寬度和峰值，確定組成物質(zhì)的種類。測(cè)量出四種樣品的衍射峰的強(qiáng)度和對(duì)應(yīng)的衍射角后，并利用操作與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)標(biāo)定出各個(gè)衍射峰對(duì)應(yīng)的晶面指數(shù)。利用生成的數(shù)據(jù)文件及origin軟件進(jìn)行做圖分析，利用波峰位置和峰值等數(shù)據(jù)并根據(jù)公式（1）計(jì)算混合物中的各種組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；利用第四個(gè)樣品的實(shí)驗(yàn)打描數(shù)據(jù)和晶粒人小測(cè)屋軟件測(cè)量晶粒的人小并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析4.1用XRD-6000型X射線粉末衍射儀打描粉末A的衍射圖譜用計(jì)算機(jī)比對(duì)PDF卡得出該樣品為Ti02（21-1272）,晶體類型為體心立方。結(jié)合PDF分

8、析得到的數(shù)據(jù)（誤差修正-0.2）如表1所示，根據(jù)origin軟件作圖分析得到A的衍射圖譜如圖2所示。圖2樣品A的衍射圖譜及衍射峰的晶面指數(shù)表2樣品A的衍射峰的相對(duì)強(qiáng)度與晶面指數(shù)20相對(duì)強(qiáng)度晶面指數(shù)(hkl)20相對(duì)強(qiáng)度晶面指數(shù)(hkl)25.236910010154.99411721136.881610362.61511520437.72771900468.6795611638.5003611270.2136622047.97522920074.969921553.823廠1054.2用XRD-6000型X射線粉末衍射儀打描薄膜樣品B的衍射圖譜30000O503O003O602O002O60O

9、00O50010203040606070809020(degree)ZnO25000-20000-16000-10000-5000-0-010203040506070809020(degree)圖3樣品B的衍射圖譜樣品B的物質(zhì)為ZnO,結(jié)構(gòu)為六角密排結(jié)構(gòu)。由計(jì)算機(jī)分析得出：二倍角為34.3357,由計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算得到晶粒的大小為：230.40A4.3用XRD-6000型X射線粉末衍射儀打描粉末C的衍射圖譜實(shí)驗(yàn)條件知:C粉末兩種成分比為1：1,實(shí)驗(yàn)經(jīng)過(guò)PDF比對(duì)發(fā)現(xiàn)兩種成分是ZnO和TiO“由于已知樣品C含有樣品A(TiOj、B(ZnO)的成分比為1:1,根據(jù)表1中A(TiO2)樣品的衍射峰的2

10、0與品面指數(shù)可以根據(jù)樣品C中的衍射峰，確定出26角對(duì)應(yīng)的晶體類型，并用A、B表示出來(lái)。20(degree)圖4樣品c的衍射圖譜及衍射峰的晶面指數(shù)趣宜夜畀螞探e表2樣品C的衍射峰的相對(duì)強(qiáng)度與晶面指數(shù)20相對(duì)強(qiáng)度品面指數(shù)(hkl)20相對(duì)強(qiáng)度品面指數(shù)(hkl)20相對(duì)強(qiáng)度25.29867101A55.063712211A31.767958100B56.605736110B34.420941002B62.669204A36.2578100101B62.859731103B37.789814004A67.957125112B47.534223102B69.095413201B48.03720200A7

11、5.05296215A53.893512105A4.4用XRD-6000型X射線粉末衍射儀打描粉末C的衍射圖譜3500-3000-2500-2000-1500-1000-500-0-*500i|i|ii*i*i*i*ii1*1010203040506070809029(degree)圖5樣品D的衍射圖譜及衍射峰的晶面指數(shù)表3樣品D的衍射峰的相對(duì)強(qiáng)度與晶面指數(shù)20相對(duì)強(qiáng)度品面指數(shù)(hkl)晶體20相對(duì)強(qiáng)度晶面指數(shù)(hkl)晶體25.2883100101A55.055317211A31.759834100B56.593421110B34.408923002B62.714213A36.2439561

12、01B62.8618204A37.782720004A67.94714103B38.55046112A68.75516112B47.532113102B69.08178201B47.02631200A70.27936220A53.887118105A75.04849215A4.5計(jì)算樣品D中A、B成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)之比根據(jù)公式(1)由相對(duì)強(qiáng)度和質(zhì)量的關(guān)系得到系數(shù)k,根據(jù)D樣品中A和B的各個(gè)衍射峰的相對(duì)強(qiáng)度町以求出系數(shù)k,從而可以求出Xa/Xb的平均值為2.54,即D樣品中A(TiO2):B(ZnO)=2.54。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論有一些偏差，可能是由于實(shí)驗(yàn)配置好的樣品已使用兩年，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中藥品都是回收

13、利用的，因此在這個(gè)過(guò)程中不排除有樣品放錯(cuò)試劑瓶的可能，或者由于藥品與空氣中的其它分子發(fā)生了反應(yīng)如C02等，使得質(zhì)量分?jǐn)?shù)比發(fā)生了改變。表4樣品D的中A、B的質(zhì)量分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)物理量A:29B:29Ia/IbkXa/XbC樣品25.29831.76791.161.161.0037.789834.42090.340.341.0048.03747.53420.870.871.0055.063769.09540.920.921.0053.893556.60570.330.331.00D樣品25.288331.75982.941.162.5537.782734.40890.870.342.5547.02647.53212.380.872.7455.055369.08172.130.922.3053.887156.