X射線多晶衍射分析技術(shù)(1)課件

1、X射線多晶衍射分析技術(shù) 福州大學(xué) 測(cè)試中心 黃清明 Email:材料：你們最關(guān)心的是什么？性能：你認(rèn)為與哪些因素有關(guān)？結(jié)構(gòu)：有哪些檢測(cè)分析技術(shù)？緒論第1章 晶體學(xué)基礎(chǔ)晶體特性晶體的結(jié)構(gòu)與空間點(diǎn)陣均 勻 性： 晶體內(nèi)部各個(gè)部分的宏觀性質(zhì)是相同的。各向異性： 晶體種不同的方向上具有不同的物理性質(zhì)。固定熔點(diǎn)： 晶體具有周期性結(jié)構(gòu)，熔化時(shí)，各部分需要同樣的溫度。 規(guī)則外形： 理想環(huán)境中生長(zhǎng)的晶體應(yīng)為凸多邊形。 對(duì) 稱 性： 晶體的理想外形和晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)都具有特定的對(duì)稱性。 1. 晶體具有如下性質(zhì)晶向和晶面指數(shù)7 crystal ClassesCrystal systemUnit cell shapeE

2、ssential symmetrySpace latticesCubi a=b=c a=b=g=90Four threefold axesP I F Tetragonala=bc a=b=g=90One fourfold axisP IOrthorhombic abc a=b=g=90Three twofold axes or mirror planeP I F A(B or C)HexagonaA=bc a=g=90 b=120One threefold axisPTrigonalA=bc a=g=90 b=120One threefold axisPa=b=c a=b=g90One thr

3、eefold axisRMonoclinicabc a=b=90 g90One twofold axis or mirror planeP CTriclinicabc abg90noneP2. 晶體結(jié)構(gòu)與空間點(diǎn)陣-D 點(diǎn)陣類型陣點(diǎn)的坐標(biāo)表示以任意頂點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，以與原點(diǎn)相交的三個(gè)棱邊為坐標(biāo)軸，分別用點(diǎn)陣周期（a、b、c）為度量單位四種點(diǎn)陣類型簡(jiǎn)單體心面心底心簡(jiǎn)單點(diǎn)陣的陣點(diǎn)坐標(biāo)為000體心點(diǎn)陣，I除8個(gè)頂點(diǎn)外，體心上還有一個(gè)陣點(diǎn)，因此，每個(gè)陣胞含有兩個(gè)陣點(diǎn)，000，1/2 1/2 1/2面心點(diǎn)陣。F除8個(gè)頂點(diǎn)外，每個(gè)面心上有一個(gè)陣點(diǎn)，每個(gè)陣胞上有4個(gè)陣點(diǎn)，其坐標(biāo)分別為000，1/2 1/2 0，

4、 1/2 0 1/2， 0 1/2 1/2第2章 X射線 高速運(yùn)動(dòng)的電子與物體碰撞時(shí)，發(fā)生能量轉(zhuǎn)換，電子的運(yùn)動(dòng)受阻失去動(dòng)能，其中一小部分（1左右）能量轉(zhuǎn)變?yōu)閄射線，而絕大部分（99左右）能量轉(zhuǎn)變成熱能使物體溫度升高。X射線譜 由X射線管發(fā)射出來(lái)的X射線可以分為兩種類型：(1)連續(xù)X射線； (2)標(biāo)識(shí)X射線。 X射線與物質(zhì)相互作用的總結(jié)熱能透射X射線衰減后的強(qiáng)度I0散射X射線電子熒光X射線相干的非相干 的反沖電子俄歇電子光電子康普頓效應(yīng)俄歇效應(yīng) 光電效應(yīng)第 3 章 X射線衍射的幾何原理晶體點(diǎn)陣對(duì)X射線的衍射布拉格定律本章導(dǎo)言： 利用射線研究晶體結(jié)構(gòu)中的各類問(wèn)題，主要是通過(guò)X射線在晶體中產(chǎn)生的衍射

5、現(xiàn)象。當(dāng)一束X射線照射到晶體上時(shí)，首先被電子所散射，每個(gè)電子都是一個(gè)新的輻射波源，向空間輻射出與入射波同頻率的電磁波。可以把晶體中每個(gè)原子都看作一個(gè)新的散射波源，它們各自向空間輻射與入射波同頻率的電磁波。由于這些散射波之間的干涉作用，使得空間某些方向上的波則始終保持相互疊加，于是在這個(gè)方向上可以觀測(cè)到衍射線，而另一些方向上的波則始終是互相是抵消的，于是就沒(méi)有衍射線產(chǎn)生。X射線在晶體中的衍射現(xiàn)象，實(shí)質(zhì)上是大量的原子散射波互相干涉的結(jié)果。晶體所產(chǎn)生的衍射花樣都反映出晶體內(nèi)部的原子分布規(guī)律。概括地講，一個(gè)衍射花樣的特征，可以認(rèn)為由兩個(gè)方面的內(nèi)容組成： 一方面是衍射線在空間的分布規(guī)律，（稱之為衍射幾何

6、），衍射線的分布規(guī)律是晶胞的大小、形狀和位向決定 另一方面是衍射線束的強(qiáng)度,衍射線的強(qiáng)度則取決于原子的品種和它們?cè)诰О械奈恢?。X射線衍射理論所要解決的中心問(wèn)題: 在衍射現(xiàn)象與晶體結(jié)構(gòu)之間建立起定性和定量的關(guān)系。布拉格定律布拉格方程的導(dǎo)出布拉格方程的討論布拉格方程的導(dǎo)出：根據(jù)圖示，干涉加強(qiáng)的條件是：式中：n為整數(shù)，稱為反射級(jí)數(shù)； 為入射線或反射線與反射面的夾角，稱為掠射角，由于它等于入射線與衍射線夾角的一半，故又稱為半衍射角，把2 稱為衍射角。 ABd反射面法線圖示布拉格方程的討論選擇反射產(chǎn)生衍射的極限條件干涉面和干涉指數(shù)衍射花樣和晶體結(jié)構(gòu)的關(guān)系產(chǎn)生衍射的極限條件 根據(jù)布拉格方程，Sin 不能

7、大于1， 因此： 對(duì)衍射而言，n的最小值為1，所以在任何可觀測(cè)的衍射角下，產(chǎn)生衍射的條件為2d，這也就是說(shuō)，能夠被晶體衍射的電磁波的波長(zhǎng)必須小于參加反射的晶面中最大面間距的二倍，否則不能產(chǎn)生衍射現(xiàn)象。干涉面和干涉指數(shù) 我們將布拉格方程中的n隱含在d中得到簡(jiǎn)化的布拉格方程： 把（hkl）晶面的n級(jí)反射看成為與（hkl）晶面平行、面間距為(nh,nk,nl) 的晶面的一級(jí)反射。面間距為dHKL的晶面并不一定是晶體中的原子面，而是為了簡(jiǎn)化布拉格方程所引入的反射面，我們把這樣的反射面稱為干涉面。干涉面的面指數(shù)稱為干涉指數(shù)。(a) 體心立方 a-Fe a=b=c=0.2866 nm(b) 體心立方 Wa

8、=b=c=0.3165 nm(d) 體心正交: a= 0.286nm, b=0.300nm, c=0.320nm(e) 面心立方：g-Fe a=b=c=0.360nm 圖3- X射線衍射花樣與晶胞形狀及大小之間的關(guān)系 (c) 體心四方a=b=0.286nm,c=0.320nm第4章 XRD實(shí)驗(yàn)一、樣品的制備二、測(cè)試條件的選擇三、衍射數(shù)據(jù)采集樣品制備樣品類型：粉末樣品 塊體樣品 膠體樣品 薄膜樣品 環(huán)境不穩(wěn)定樣品等樣品處理：粉末樣品要求過(guò)篩200目 塊體樣品要求尺寸適當(dāng)便于測(cè)試 其它類型樣品根據(jù)樣品性質(zhì)做適當(dāng)?shù)奶幚肀阌跍y(cè)試，同時(shí)保證樣品的不變性測(cè)試條件的選擇一、根據(jù)樣品的性質(zhì)及表征的需要選擇適當(dāng)

9、的測(cè)試條件。二、條件包括：儀器類型、X射線波長(zhǎng)、 儀器附件的選取、光路的設(shè)定、測(cè)試模式的選擇、 儀器電流電壓的選擇、步長(zhǎng)及步時(shí)的選擇等。圖譜的采集 利用選擇好的條件對(duì)樣品進(jìn)行XRD數(shù)據(jù)采集。觀察所采集數(shù)據(jù)的情況判定圖譜質(zhì)量是否符合要求。觀察內(nèi)容包括：圖譜衍射峰的強(qiáng)度，典型特征強(qiáng)峰位置，圖譜的信噪比等。如果判斷圖譜不符合要求即改變條件重新采集。第6章 X射線多晶衍射儀的應(yīng)用物相定性分析物相定量分析結(jié)晶度分析晶胞參數(shù)的精確測(cè)定納米晶粒尺寸分析結(jié)構(gòu)畸變分析材料的殘余應(yīng)力分析原位反應(yīng)分析未知結(jié)構(gòu)的粉末結(jié)構(gòu)解析材料的織構(gòu)分析固溶體材料結(jié)構(gòu)精修分析粒度/孔徑分布分析高分子材料有序度的PDF分析薄膜厚度/物

10、相成分/應(yīng)力分析薄膜的線吸收系數(shù)、界面粗糙度分析單晶材料原子排列缺陷分析塊狀材料物相分布分析Name and formulaReference code:01-071-1128 Mineral name:Corundum Common name:aluminium oxide - Cr-doped ICSD name:Aluminum Oxide Empirical formula:Al2O3 Chemical formula:Al2O3 Crystallographic parametersCrystal system:Rhombohedral Space group:R-3c Space

11、group number:167a (A): 4.7352 b (A): 4.7352 c (A): 12.9176 Alpha (): 90.0000 Beta (): 90.0000 Gamma ():120.0000 Calculated density (g/cm3): 4.05 Volume of cell (106 pm3):250.84 Z: 6.00 RIR: 0.99 Subfiles and QualitySubfiles:InorganicMineralAlloy, metal or intermetalicCorrosionICSD PatternQuality:Cal

12、culated (C)CommentsAnalysis:(Al.996 Cr.004)2 O3 ICSD collection code:009775 Test from ICSD:At least one TF implausible. ReferencesPrimary reference:Calculated from ICSD using POWD-12+, (1997)Structure:Finger, L.W., Hazen, R.M., J. Appl. Phys., 49, 5823, (1978)JCPDS標(biāo)準(zhǔn)卡片Peak listNo. h k l d A 2Thetade

13、g I % 1 0 1 2 3.46196 25.712 66.4 2 1 0 4 2.53713 35.349 100.0 3 1 1 0 2.36760 37.974 46.5 4 0 0 6 2.15293 41.929 0.4 5 1 1 3 2.07466 43.590 91.6 6 2 0 2 1.95429 46.427 1.5 7 0 2 4 1.73098 52.848 46.0 8 1 1 6 1.59285 57.841 88.1 9 2 1 1 1.53892 60.072 2.1 10 1 2 2 1.50717 61.473 3.2 11 0 1 8 1.50243 61.688 7.4 12 2 1 4 1.39735 66.907 33.9 13 3 0 0 1.36693 68.600 50.2 14 1 2 5 1.32911 70.839 1.0 15 2 0 8 1.26856 74.778 1.3 16 1 0 10 1.23208 77.394 14.2 17 1 1 9 1.22737 77.747 7.6 18 2 1 7 1.18686 80.936 0.7 19 2 2 0 1.1838