XRD及其分析技術(shù)

1、XRD及其分析技術(shù)古明空月 2016 年5月1日1.X射線產(chǎn)生的原理 X射線是由高速電子撞擊物質(zhì)的原子產(chǎn)生的電磁波。射線是由高速電子撞擊物質(zhì)的原子產(chǎn)生的電磁波。 XRD 即即X-ray diffraction 的縮寫，通過對(duì)材料進(jìn)行的縮寫，通過對(duì)材料進(jìn)行X射線射線衍射，分析其衍射圖譜，獲得材料的成分、材料內(nèi)部原子或衍射，分析其衍射圖譜，獲得材料的成分、材料內(nèi)部原子或分子的結(jié)構(gòu)或形態(tài)等信息的研究手段。分子的結(jié)構(gòu)或形態(tài)等信息的研究手段。1.1X射線發(fā)射裝置X 射線發(fā)生器：封閉式X射線管（2kW）旋轉(zhuǎn)靶式X射線管（加強(qiáng)冷卻，提高X射線強(qiáng)度。6-20kW） 產(chǎn)生的是：連續(xù)譜靶物質(zhì)元素的特征譜 特征譜的

2、波長是固定的。不能連續(xù)調(diào)節(jié)。電子束改變運(yùn)動(dòng)方向產(chǎn)生X射線：同步輻射(電子加速器儲(chǔ)存環(huán)） 北京同步輻射國家實(shí)驗(yàn)室、合肥同步輻射實(shí)驗(yàn)室 產(chǎn)生的是：連續(xù)譜。高平行度，偏振。需要單色射線時(shí)，用反射鏡晶體單色器從連續(xù)譜中取出所需要的波長的單色X射線，因此可以隨意調(diào)節(jié)單色X射線的波長。功率高的同步輻射的強(qiáng)度可達(dá)常規(guī)X射線發(fā)生器的上千倍。 連續(xù)光譜的最短波長取決于X光管工作高壓。 特征譜的波長取決于靶材特征譜的波長取決于靶材的元素種類。的元素種類。 粉末衍射需要使用特征譜。常用的是Cu靶的K 譜線，K 譜線一般用單色器濾掉。 Cu K 平均波長：1.5418 Cu K 1波長：1.54060 Mo K 波長

3、：0.707Mo 靶靶35kV時(shí)的發(fā)射光譜時(shí)的發(fā)射光譜K 譜線由譜線由K 1和和K 2 構(gòu)成構(gòu)成連續(xù)譜連續(xù)譜特征譜特征譜K 1K 2K K K 實(shí)際由相距很近實(shí)際由相距很近的的 K 1和和 K 2 組成組成1.2X射線光譜2.X衍射原理布拉格衍射方程根據(jù)布拉格方程，我們可以把晶體對(duì) X 射線的衍射看作為“反射”，并樂于借用普通光學(xué)中“反射”這個(gè)術(shù)語，因?yàn)榫娈a(chǎn)生衍射時(shí)，入射線、衍射線和晶面法線的關(guān)系符合鏡面對(duì)可見光的反射定律。但是，這種“反射”并不是任意入射角都能產(chǎn)生的，只有符合布拉格方程的條件才能發(fā)生，故又常稱為“選擇反射”。據(jù)此，每當(dāng)我們觀測(cè)到一束衍射線，就能立即想象出產(chǎn)生這個(gè)衍射的晶面族

4、的取向，并且由衍射角 n 便可依據(jù)布拉格方程計(jì)算出這組平行晶面的間距（當(dāng)實(shí)驗(yàn)波長也是已知時(shí)） 。 u產(chǎn)生衍射的條件是光程差是波長的整數(shù)倍 2d hkl sin n 布拉格公式布拉格公式 n：衍射的級(jí)(正整數(shù)） 3.X衍射儀器的組成X射線多晶衍射儀 (又稱X射線粉末衍射儀) 由X射線發(fā)生器射線發(fā)生器、測(cè)角測(cè)角儀儀、X射線強(qiáng)度測(cè)量系統(tǒng)射線強(qiáng)度測(cè)量系統(tǒng)以及衍射儀控制與衍射數(shù)據(jù)采集、處理系統(tǒng)衍射儀控制與衍射數(shù)據(jù)采集、處理系統(tǒng)四大部分組成。下圖示出了X射線多晶衍射儀的構(gòu)成示意圖。接收狹縫接收狹縫入射X射線衍射X射線樣品作轉(zhuǎn)動(dòng)樣品衍射Soller狹縫樣品驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)衍射Soller，接收狹縫，探測(cè)器和單色器作

5、 2 轉(zhuǎn)動(dòng)2 0探測(cè)器高、低壓電源單色器前置放大器水冷卻系統(tǒng)主放大器脈沖高度分析器控制和數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)2 和 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)據(jù) / 圖形輸出設(shè)備入射Soller狹縫發(fā)散狹縫實(shí)際上計(jì)算機(jī)還可控制發(fā)散狹縫、單色器等穩(wěn)定的：直流高壓燈絲電源聚焦偏壓X光管當(dāng)樣品平面平行于入射X射線時(shí)，探測(cè)器與接收狹縫處在2 零度。然后樣品以速度繞衍射儀軸轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)探測(cè)器與接收狹縫以2 速度轉(zhuǎn)動(dòng)，依次探測(cè)記錄各晶面的衍射線。這樣記錄下來的是那些其 h k l 晶面平行于樣品表面的晶粒的衍射線。84.XRD樣品的制備壓片法工具：瑪瑙研缽、藥匙、載玻片、樣品片實(shí)驗(yàn)步驟：1.需把樣品研磨成適合衍射實(shí)驗(yàn)用的粉末；2.把樣品粉末制成有一個(gè)十分平整平面的試片。注意事項(xiàng)： 整個(gè)過程以及之后安裝試片、記錄衍射譜圖的整個(gè)過程都不允許樣品的組成及其物理化學(xué)性質(zhì)有所變化。確保采樣的代表性和樣品成分的可靠性，衍射數(shù)據(jù)才有意義。 任何一種粉末衍射技術(shù)都要求樣品是十分細(xì)小的粉末顆粒，使試樣在受光照的體積中有足夠多數(shù)目的晶粒。因?yàn)橹挥羞@樣，才能滿足獲得正確的粉末衍射圖譜數(shù)據(jù)的條件：即試樣受光照體積中晶粒的取向是完全機(jī)遇的, 才能保證用衍射儀法獲得的衍射強(qiáng)度值有很好的重現(xiàn)性。此外，將樣品制成很細(xì)的粉末顆粒，還有利于抑制由于晶癖帶來的