x射線衍射技術(shù)在納米材料設(shè)計中的應用

x射線衍射技術(shù)在納米材料設(shè)計中的應用

納米顆粒、顆粒、結(jié)晶、微區(qū)域、膜層和包層的組成密切相關(guān)。如何準確地提供上述數(shù)據(jù)將直接影響到納米材料的研制與應用。原飛利浦公司分析儀器部現(xiàn)改名為帕納科公司,公司提供了根據(jù)最新的X射線衍射技術(shù)設(shè)計出的各種附件及軟件,滿足了上述要求。1納米顆粒尺寸的計算晶粒愈細小則衍射線形愈寬化,但是顯微應力也會引起線形寬化,為了獲得由晶粒細化單一引起的線形寬化值,首先使用帕納科公司提供的“LineProfile”軟件,根據(jù)付里葉數(shù)學變換的方法,計算出線形由于樣品晶粒細化引起的線形寬化值,利用此數(shù)據(jù)及儀器的工具寬化度值,按照謝樂公式,計算出納米材料樣品的晶粒尺寸。上述計算可以自動完成。2x-ct-roso法納米材料由于顆粒細小,極易形成團粒,采用通常的粒度分析儀將會給出錯誤的數(shù)據(jù)。采用X射線小角散射法可以克服團粒造成的困難,準確地給出納米材料的顆粒尺寸。為了獲得一束平行度極佳的準直X光束,長期以來采用狹縫控制,因而有四狹縫相機及Kratky相機的方法。如果X光束準直性略差,則會增大原光束附近的本底,從而掩蓋了小角散射的信息。因此要求狹縫很細小,但是這樣又使得入射光束的強度數(shù)拾倍的降低,也會降低小角散射的信息。帕納科公司根據(jù)X射線不反射,幾乎不折射,但是產(chǎn)生衍射的原理,設(shè)計了一種新型光學附件“Hybrid”,它是由兩部分組成的——Mirror及Ge雙晶。前者Mirror是采用人工晶體,它可以將發(fā)散的X光經(jīng)過此人工晶體衍射后,產(chǎn)生一束平行度為0.04°的Kα平行光(已消除了Kβ)。此平行光束再經(jīng)過Ge雙晶體衍射后,可獲得一束準直度為0.007°的Kα1平行光(已消除Kα2)。利用此平行光,直射粉末樣品,在原光束附近就可以準確地探測到小角散射的信息,利用此數(shù)據(jù)可以計算出粉末樣品的顆粒尺寸。3薄膜衍射信息產(chǎn)生機理在某一種基體的表面,通過各種工藝:電渡、氣相沉積、濺射、納米顆粒堆砌或鑲嵌而形成的薄膜,或生成的納米外沿膜等,用常規(guī)的Bragg-Bruntano的衍射幾何設(shè)計難以獲得納米薄膜的衍射信息,這是由于入射X射線束在薄膜中的光程很短,因而產(chǎn)生的衍射信息極弱,這些薄膜的弱衍射信息被基體的強大的衍射信息所掩蓋。為此帕納科公司推出了一組平行光路系統(tǒng),將X光源的發(fā)散光經(jīng)過Mirror模塊后變?yōu)橐皇軓姷钠叫泄?令此平行光與樣品的夾角呈0.3~1.5°掠射薄膜樣品,因而產(chǎn)生了強大的薄膜衍射信息,將此衍射的平行光束,再經(jīng)過另一個Mirror,從而產(chǎn)生一束線聚焦光束,用探測器測量此強線聚焦光束的強度。這是前平行光掠射測量納米薄膜的新型光學附件。4x-apos法在一個大塊的樣品中的某一小區(qū)域,生成了另一種納米級物相,此區(qū)域很小,甚至于小到0.1×0.1毫米,要想測量此小區(qū)域的納米級顆粒物相的組成,用常規(guī)的方法無法測量。帕納科公司設(shè)計一種新附件。入射X光束經(jīng)過一組單毛細管透鏡,提高強度4~5倍,此光束照射到大塊樣品中某一小區(qū)域(利用測角臺的X、Y軸及Z軸的移動,將此小區(qū)域移至衍射幾何中心點,此時光束照射到此點),為了消除擇優(yōu)取向,增加各晶面的衍射幾率,因而將樣品按照Φ角轉(zhuǎn)動。由于被照射的區(qū)域小,產(chǎn)生的衍射強度也很弱,因而采用帕納科公司最新研制成功的新型探測器X'Celerator(超能探測器),在同樣的探測時間內(nèi),它可將探測的強度增大100倍(與正比探測器相比)。這種新型超能探測器,不但探測的強度增大100倍,而且線形的分辨率很高(0.037),對微量信息探測的靈敏度也提高10倍,這種新型探測器不但可以用于微區(qū)域探測,也適用于通常的各種聚焦光學(BraggBrutano)探測,如常規(guī)的物相定性定量分析,高低溫相變測量等。5生成table納米材料的物相鑒定,常規(guī)方法只能給出幾十個可能存在的物相,物相鑒定前需要先進行峰形平滑、去除Kα2、尋峰、限制,然后才能進行SearchMatch,手續(xù)煩鎖。帕納科公司最近推出了一種新型納米材料物相鑒定軟件(HighScore)。與常規(guī)法比較有以下優(yōu)點:1、采用殘余物相鑒定法,減少了漏檢及誤檢;2、采用峰位及積分面積法相結(jié)合,因而將全譜擬合法及積分面積峰位法的優(yōu)點集合在一起;3、利用各物相的參比強度值RIR,可以完成半定量分析。6x射線衍射測量方法納米材料的物相含量的測定,也是大家所關(guān)心的。為了解決此問題,帕納科公司給出了兩種方法。a.根據(jù)各物相原子座標位置計算各物相的含量—X'PertPlus。b.不知原子坐標位置或是在線快速定量分析,則采用X'PertIndustry軟件。這不是常規(guī)的定量分析軟件,而是可以根據(jù)各用戶不同的要求,隨意匯編出一組分析程序,其中可以包括自動尋峰位、測量積分面積、重疊線的分離以及各種復雜的數(shù)學運算等。帕納科公司給出了一系列的納米材料的X射線衍射測量方法。這些方法需要不同的光學附件或樣品臺。眾所周知,按照常規(guī),這些附件的更換是非常困難的,主要是更換后要重新調(diào)整幾何中心軸位置。這種調(diào)整不但花費時間、易接觸射線,而且需要豐富的經(jīng)驗。帕納科公司為了解決上述困難,推出一種“預校準光路模塊化技術(shù)”,各種附件的更換很方便,更換后不需要調(diào)整光路,不影響測量的準確度,這是X射線