d8x射線衍射儀的發(fā)展與應(yīng)用

d8x射線衍射儀的發(fā)展與應(yīng)用

d8系列x射線衍射儀包括d8advence、d8diecver和d8gadds三個(gè)型號(hào)。它的設(shè)計(jì)精密,硬件、軟件功能齊全,能靈活地適應(yīng)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的各種測(cè)試、分析和研究。根據(jù)實(shí)際需要,可采用基本型D8X射線衍射儀系統(tǒng),也可在它的基礎(chǔ)上,模塊化地配置安裝各種特殊功能的附件及各種實(shí)驗(yàn)方法應(yīng)用軟件,即可方便地組成具有各種特殊功能的衍射儀系統(tǒng),或組合成一機(jī)多能的衍射儀系統(tǒng)。它可對(duì)單晶、多晶和非晶樣品進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)分析,如物相定性和定量分析、衍射譜的指標(biāo)化及點(diǎn)陣參數(shù)測(cè)定、鑲嵌晶粒尺寸及AAA點(diǎn)陣畸變測(cè)定、粉末衍射圖譜擬合修正晶體結(jié)構(gòu)、殘余應(yīng)力測(cè)定、織構(gòu)分析、結(jié)晶度測(cè)定、薄膜的厚度和密度分析、表面和界面粗糙度及層序分析、高分辨衍射測(cè)定單晶外延膜結(jié)構(gòu)特征。此外,還可進(jìn)行高低溫及不同氣氛和壓力下的結(jié)構(gòu)變化的動(dòng)態(tài)分析等。1d8系列x射線衍射儀的主要硬件特點(diǎn)德國(guó)布魯克AXS公司研制和生產(chǎn)X射線分析儀器已有79年歷史。近些年來又將多種先進(jìn)技術(shù)和方法應(yīng)用于D8系列X射線衍射儀,諸如Goebel鏡、X光透鏡、四晶單色器、PSD(位敏探測(cè)器)、Hi-Star二維面探測(cè)器、模塊化的UBC(通用光學(xué)組件)、XRK氣氛反應(yīng)室等以及不斷完善的應(yīng)用軟件,從而使D8系列X射線衍射儀具有精度高、機(jī)械穩(wěn)定性好、經(jīng)久耐用、部件模塊化、易升級(jí)、操作簡(jiǎn)便和智能化的特點(diǎn),能靈活地適應(yīng)各種行業(yè)的測(cè)試分析與研究。D8ADVANCE主要用于常規(guī)衍射分析,D8DISCOVER主要用于高分辨衍射,D8GADDS主要用于微區(qū)衍射。1.1采用新技術(shù)(1)提高衍射強(qiáng)度利用彎曲成拋物面的多層晶體膜,將發(fā)散的X光束會(huì)聚成平行的光束,作為入射或衍射光束,可有效去除Kβ及白光,從而得到Kα的強(qiáng)平行光束。安裝于衍射光路的Goebel鏡可提高衍射花樣的強(qiáng)度和分辨率。Goebel鏡特別適合于下列應(yīng)用:用于薄膜和高分辨率的衍射時(shí),能大幅度提高衍射強(qiáng)度(3~25倍);進(jìn)行高低溫及化學(xué)反應(yīng)研究時(shí),徹底消除了由于溫度變化或化學(xué)反應(yīng)引起的樣品面的偏移帶來的衍射峰位的漂移問題;對(duì)于表面不規(guī)則樣品如礦物、文物、大樣品可進(jìn)行無損直接測(cè)量研究;將雙Goebel鏡交叉配置使用,可得到高強(qiáng)度、高平行度的點(diǎn)光源,有利于微區(qū)分析和小角散射的應(yīng)用;對(duì)于毛細(xì)管技術(shù)的衍射應(yīng)用,能大幅度提高衍射強(qiáng)度。利用平行光效應(yīng)有利于織構(gòu)的分析和應(yīng)力的分析。(2)能量及位置分析它是在正比計(jì)數(shù)管中心軸處裝一細(xì)長(zhǎng)的高電阻絲,使不同位置產(chǎn)生的脈沖具有一定的時(shí)間差,從而獲得分辨位置的能力,用它可記錄X射線光子的能量及位置。它可一次收集一定角度范圍的數(shù)據(jù),并根據(jù)其專利——掃描PSD技術(shù),對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行累計(jì)積分,極大地提高了數(shù)據(jù)采集速度和檢測(cè)靈敏度,適用于快速數(shù)據(jù)采集,如在高低溫下和化學(xué)反應(yīng)時(shí)測(cè)量微觀結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化等。(3)時(shí)間快速采集二維數(shù)據(jù)它是二維PSD構(gòu)成的網(wǎng)格式多級(jí)正比室,衍射光進(jìn)入Be窗電離氣體,電子網(wǎng)格探測(cè)離子和產(chǎn)生的脈沖,并被編碼為位置和記下強(qiáng)度數(shù)據(jù),具有短時(shí)快速采集二維數(shù)據(jù)的特點(diǎn)。(4)測(cè)量方法的確定獨(dú)創(chuàng)的模塊化先進(jìn)光學(xué)組件裝在高精度燕尾槽導(dǎo)軌上,易定位,無需重調(diào)。UBC光學(xué)系統(tǒng)用于提高入射束和衍射束的光譜純凈度、平行度、分辨率及光束的強(qiáng)度,可非常靈活地組合,以滿足不同的測(cè)量需要。UBC光學(xué)系統(tǒng)適用于高強(qiáng)度和高分辨率粉末衍射、低角掠射和高強(qiáng)度低角掠射、高強(qiáng)短時(shí)高分辨反射率分析、極高分辨率反射、高強(qiáng)度殘余應(yīng)力與織構(gòu)研究、高分辨率織構(gòu)研究、高分辨率倒易點(diǎn)陣映象、高分辨率X射線衍射(HRXRD)和Bond法精測(cè)點(diǎn)陣參數(shù)等。(5)在微織構(gòu)測(cè)量中的應(yīng)用GADDS系統(tǒng)可進(jìn)行廣角衍射、微區(qū)衍射和小角散射,并采用了Hi-Star面探測(cè)器,可適時(shí)、快速、靈敏和全面地采集多個(gè)Debye環(huán)衍射信息(二維衍射數(shù)據(jù))。在GADDS系統(tǒng)中軟件對(duì)各個(gè)晶粒衍射信息進(jìn)行高精度的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理,將統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表示為常規(guī)衍射中的標(biāo)準(zhǔn)粉末衍射圖譜I(2θ),有效地解決了微量樣品、大晶粒樣品和具有擇優(yōu)取向樣品衍射時(shí)信息大量丟失的問題。在織構(gòu)測(cè)量時(shí),用GADDS系統(tǒng)比常規(guī)織構(gòu)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)算速度可提高幾十倍。用交叉的Goebel鏡可提供高強(qiáng)度、高平行度的入射光束做小角散射測(cè)量,還可像X射線探針一樣對(duì)感興趣的測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量,并攝取顯微形貌;可對(duì)小至50μm的微小區(qū)域進(jìn)行微區(qū)衍射、微區(qū)應(yīng)力和微區(qū)織構(gòu)分析;可對(duì)帶織構(gòu)試樣進(jìn)行殘余應(yīng)力分析。它非常適用于快速粉末衍射、快速高質(zhì)量織構(gòu)分析、快速高質(zhì)量應(yīng)力研究、微區(qū)或選區(qū)衍射分析、小角散射,特別是各向異性材料的小角散射分析。典型應(yīng)用有:涂料碎片、纖維、腐蝕產(chǎn)物、失效分析、法庭認(rèn)證、半導(dǎo)體中痕量分析、地礦及玻璃行業(yè)中夾雜物分析。此外,在材料科學(xué)與高分子材料中也有很好的應(yīng)用。還可用單管X透鏡、整體X光透鏡提供超強(qiáng)的光源。(6)變光束傳播方向X射線透鏡利用入射角小于臨界角的全反射原理,以毛細(xì)管作為X射線波導(dǎo)管,改變光束傳播方向,將X射線調(diào)整為平行的或束聚的具有一定形狀和大小的高強(qiáng)度光束作為X射線源,有效地提高X射線源的利用率?？捎糜诳焖傥锵噼b定、快速的織構(gòu)研究、快速和高質(zhì)量的殘余應(yīng)力研究以及快速高分辨率衍射和薄膜衍射研究等。(7)壓等異常狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)此附件可進(jìn)行真空高溫、化學(xué)反應(yīng)氣氛(如氧化、還原、惰性)和加壓等異常狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)分析,可用于化學(xué)反應(yīng)(如固-氣相互作用)、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)(如高彌散物質(zhì)的燒結(jié)和再氧化、無機(jī)晶體脫水)、高分子聚合物和其他有機(jī)材料的溶解和再結(jié)晶等過程以及催化劑的研究。1.2該設(shè)備的特點(diǎn)(1)高精度燕尾槽加工和顯示采用步進(jìn)馬達(dá)加光學(xué)編碼器確保測(cè)角儀快速準(zhǔn)確定位,精度高,角度重現(xiàn)性達(dá)±0.0001°;測(cè)角儀直徑可設(shè)置在380~760mm之間的任何位置,方便高分辨率和高強(qiáng)度衍射時(shí)選擇。2θ角的掃描范圍是-110°~169°,最小步長(zhǎng)0.0001°。模塊化性能好,可配置各種附件實(shí)現(xiàn)多種應(yīng)用。所有配件均可安裝在高精度燕尾槽導(dǎo)軌上,可實(shí)現(xiàn)快速而高重現(xiàn)性的互換。測(cè)角儀、X光管和探測(cè)器三者為整體結(jié)構(gòu),機(jī)械穩(wěn)定性好,θ/2θ和θ/θ掃描易于互換。(2)樣品可移動(dòng)測(cè)量樣品表面的方向1/4尤拉環(huán)安裝在測(cè)角儀上可以讓樣品自動(dòng)地實(shí)現(xiàn)7個(gè)自由度的動(dòng)作。二維平移的范圍為x>-75mm、y≤+75mm;沿垂直于樣品表面的方向可移動(dòng)的范圍為-1mm<z<+12mm;樣品可繞法線自轉(zhuǎn)(-∞<φ<+∞),亦可繞樣品表面的水平線轉(zhuǎn)動(dòng)(-3°<χ<94°),以及2θ、θ角掃描。并帶有晶片樣品架和真空吸盤(76.20mm或127mm)以及精密單刀邊準(zhǔn)直器(KEC),以確保樣品的快速定位。配置的四晶晶體單色器可進(jìn)行高分辨率的衍射分析。(3)分辨率高的優(yōu)點(diǎn)①3kW的陶瓷X光管為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)尺寸,與玻璃光管可互換,保質(zhì)期為4000h,壽命長(zhǎng)且焦斑位置穩(wěn)定。備有細(xì)焦斑0.04mm×12mm,具有比功率高和分辨率高的優(yōu)點(diǎn)。②UBC(UniversalBeamConcept)光學(xué)系統(tǒng)包括UBC光源模塊(由X光管線焦斑和Goebel鏡組成,將發(fā)散光聚集為強(qiáng)的平行光)、入射光束UBC模塊(入射光束孔徑可調(diào),Kα光束很強(qiáng),點(diǎn)線聚斑變換無需轉(zhuǎn)動(dòng)光管)、入射束四晶單色器UBC模塊(可獲得純Kα1輻射,光束發(fā)散度≤0.0035°或≤0.0014°,具有高分辨率)、壓縮型和擴(kuò)張型UBC模塊(可獲得高強(qiáng)度和高分辨率)和衍射束UBC模塊(可獲得高強(qiáng)度和高分辨率)。(4)固體探測(cè)器及熱控制器有閃爍計(jì)數(shù)器(SC)、正比計(jì)數(shù)器(PC)、位敏探測(cè)器(PSD)、Si(Li)固體探測(cè)器及Hi-Star面探測(cè)器等多種探測(cè)器可供選擇使用。新型的NaI晶體閃爍計(jì)數(shù)器背底低(0.4cps),而線性范圍高達(dá)2×106cps。新型YAP晶體閃爍計(jì)數(shù)器的線性范圍高達(dá)1×107cps。(5)提高強(qiáng)度單管X光透鏡的光束直徑可在50μm~1mm之間調(diào)節(jié),適用于Cr輻射至Mo輻射之間的波長(zhǎng),可與GADDS準(zhǔn)直器兼容使用,能成倍提高強(qiáng)度。整體X光透鏡的管長(zhǎng)為45mm,截獲角為4°,出射光束直徑為4.5mm,距離焦點(diǎn)的長(zhǎng)度為70mm,發(fā)散角0.21°FWHM,在1.5kW時(shí)光子流量約為1011cps,用于織構(gòu)測(cè)量時(shí)可提高強(qiáng)度100倍或縮短測(cè)量時(shí)間100倍,非常適用于快速物相鑒定、快速織構(gòu)研究、快速和高質(zhì)量殘余應(yīng)力研究及快速高分辨衍射和薄膜衍射研究等。(6)溫度梯度的確定該反應(yīng)室抗腐蝕,可控制樣品環(huán)境,壓力可在100~106Pa的范圍內(nèi)變化,相對(duì)濕度從10%到90%可調(diào)(室溫下),氣氛可控(氧化氣氛、還原氣氛、惰性氣氛),溫度范圍從室溫到900℃可調(diào),樣品表面及內(nèi)部沒有溫度梯度。備有多種類型的樣品杯,以適應(yīng)粉末和片狀樣品的不同需要。2數(shù)據(jù)處理方法D8系列X射線衍射儀配有多種應(yīng)用軟件。軟件平臺(tái)是在Windows95/NT環(huán)境下的真32位多任務(wù)系統(tǒng),所有軟件完全集成在一起,組成強(qiáng)大的智能化多用途X射線實(shí)驗(yàn)分析方法應(yīng)用軟件包。它可自動(dòng)調(diào)整設(shè)備、設(shè)置采集數(shù)據(jù)方案并進(jìn)行數(shù)據(jù)的精化處理。軟件提供三維圖像功能,可縮放并利用Windows輸出工具編制報(bào)告。(1)Basic系統(tǒng)控制管理與數(shù)據(jù)采集軟件,EVA基本數(shù)據(jù)處理軟件。(2)TOPASR軟件,對(duì)X射線衍射線形進(jìn)行函數(shù)模擬和基本參數(shù)擬合,后者根據(jù)有確切物理意義的幾何光學(xué)和衍射光學(xué)參數(shù)擬合線形,為無標(biāo)樣晶粒尺寸和微觀應(yīng)變測(cè)定提供解決辦法。用Pawley和Lebail擬合可對(duì)多相復(fù)雜粉末花樣進(jìn)行Rietveld精修,即使所有相結(jié)構(gòu)均為未知。用球偕函數(shù)作各向異性修正,用能量最少和模擬處理粉末數(shù)據(jù)從頭開始解結(jié)構(gòu)。(3)Search自動(dòng)物相檢索軟件,利用扣除背底全譜數(shù)據(jù)作檢索,考慮到測(cè)量中所得到的全部信息,包括峰形(峰寬、峰不對(duì)稱性、肩峰)以及弱峰等?？捎行У貦z索多相樣品中的重疊峰、擇優(yōu)取向、微量相中的物相。(4)Dquant軟件,用于物相的定量分析,包括多種常規(guī)定量分析方法。(5)Crysize軟件,用Warren-AverbachFourier分析法和單峰法進(jìn)行鑲嵌尺寸和點(diǎn)陣畸變測(cè)定。(6)Index軟件,用于粉末衍射花樣的指標(biāo)化和點(diǎn)陣參數(shù)測(cè)量,包括分析法和嘗試法等。(7)Matic軟件,可對(duì)7種晶系的粉末樣品的點(diǎn)陣參數(shù)進(jìn)行精確測(cè)定。(8)Stress軟件,用于試樣和實(shí)物構(gòu)件的殘余應(yīng)力測(cè)定,含有Omega模式和Psi模式。(9)TEX軟件,用于控測(cè)極圖,包括Schulz反射法和Decker透射法。用步進(jìn)掃描采集數(shù)據(jù)后,作背底扣除、吸收及散焦修正,并作歸一化處理,繪制出極圖。(10)ODF軟件,取向分布函數(shù)(ODF)織構(gòu)定量分析軟件,它是在DiffracPlusTEX數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)上,對(duì)完整極圖或不完整極圖數(shù)據(jù),用球諧級(jí)數(shù)展開法做ODF分析,計(jì)算了奇數(shù)項(xiàng),載尾項(xiàng)可任選,用Bunge符號(hào)繪出恒Phi1和Phi2的ODF截面圖,可回算繪制任意{hkl}極圖和任意選定方位的反極圖。(11)DiffracPlusRietveld軟件,用于粉末衍射花樣擬合精修晶體結(jié)構(gòu)。該軟件在衍射分析中占有重要地位,已用于全譜擬合的無標(biāo)樣定量相分析,鑲嵌尺寸和晶格畸變等的測(cè)定。(12)Siroquant軟件,是在Rietveld粉末衍射花樣擬合精修晶體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,采用全譜進(jìn)行無標(biāo)樣定量分析的方法,具有較高的精度。同時(shí)可以快速分析25個(gè)混合相中各相的組分。(13)HRXRD軟件,用于高分辨率X射線衍射、模擬及數(shù)據(jù)處理、分析單晶體外延膜的結(jié)構(gòu)特征,如用Bond法超精度地測(cè)定點(diǎn)陣參數(shù)、點(diǎn)陣錯(cuò)配、化學(xué)組分,用Rocking曲線測(cè)算鑲嵌結(jié)構(gòu)、取向等,還可作倒易空間測(cè)繪。(14)REFSIM軟件,用于反射率測(cè)量,精修和模擬薄膜的厚度、薄層與襯底的密度、表面與晶面的粗糙度等。(15)GADDSNT軟件,對(duì)面探數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理,以便用作各種實(shí)驗(yàn)方法的數(shù)據(jù)分析。3利用windows95/nt環(huán)境下的衍射解決方案(1)D8系列X射線衍射儀具有高精度、高機(jī)械穩(wěn)定性、模塊化