晶體X射線衍射實驗報告

PAGE11中南大學(xué)X射線衍射實驗報告材料科學(xué)與工程學(xué)院材料類專業(yè)材料1003班級姓名閔杰學(xué)號0607100313同組者實驗日期2012年11月17日指導(dǎo)教師黃繼武評分分評閱人評閱日期實驗?zāi)康恼莆誜射線衍射儀的工作原理、操作方法；掌握X射線衍射實驗的樣品制備方法；學(xué)會X射線衍射實驗方法、實驗參數(shù)設(shè)置，獨立完成一個衍射實驗測試；學(xué)會MDIJade6的基本操作方法；學(xué)會物相定性分析的原理和利用Jade進行物相鑒定的方法；學(xué)會物相定量分析的原理和利用Jade進行物相定量的方法。本實驗由衍射儀操作、物相定性分析、物相定量分析三個獨立的實驗組成，實驗報告包含以上三個實驗內(nèi)容。實驗原理1、X射線衍射儀（1）X射線管X射線管工作時陰極接負(fù)高壓，陽極接地。燈絲附近裝有控制柵，使燈絲發(fā)出的熱電子在電場的作用下聚焦轟擊到靶面上。陽極靶面上受電子束轟擊的焦點便成為X射線源，向四周發(fā)射X射線。在陽極一端的金屬管壁上一般開有四個射線出射窗口。轉(zhuǎn)靶X射線管采用機械泵+分子泵二級真空泵系統(tǒng)保持管內(nèi)真空度，陽極以極快的速度轉(zhuǎn)動，使電子轟擊面不斷改變，即不斷改變發(fā)熱點，從而達到提高功率的目的（2）測角儀系統(tǒng)測角儀圓中心是樣品臺，樣品臺可以繞中心軸轉(zhuǎn)動，平板狀粉末多晶樣品安放在樣品臺上，樣品臺可圍繞垂直于圖面的中心軸旋轉(zhuǎn)；測角儀圓周上安裝有X射線輻射探測器，探測器亦可以繞中心軸線轉(zhuǎn)動；工作時，一般情況下試樣臺與探測器保持固定的轉(zhuǎn)動關(guān)系（即θ-2θ連動），在特殊情況下也可分別轉(zhuǎn)動；有的儀器中樣品臺不動，而X射線發(fā)生器與探測器連動。（3）衍射光路２、物相定性分析每一物相具有其特有的特征衍射譜，沒有任何兩種物相的衍射譜是完全相同的記錄已知物相的衍射譜，并保存為PDF文件從PDF文件中檢索出與樣品衍射譜完全相同的物相多相樣品的衍射譜是其中各相的衍射譜的簡單疊加，互不干擾，檢索程序能從PDF文件中檢索出全部物相3、物相定量分析物相定量分析——絕熱法在一個含有N個物相的多相體系中，每一個相的RIR值（參比強度）均為已知的情況下，測量出每一個相的衍射強度，可計算出其中所有相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)：其中某相X的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可表示為：式中A表示N個相中被選定為內(nèi)標(biāo)相的物相名稱式中右邊是兩個物相X和A的RIR值，可以通過實測、計算或查找PDF卡片獲得。樣品中只含有兩相A和B，并選定A為內(nèi)標(biāo)物相，則有：,４、點陣常數(shù)精確測定晶胞參數(shù)的計算晶胞參數(shù)需由已知指標(biāo)的晶面間距來計算，對立方晶系:晶胞參數(shù)的誤差由上式可知，晶胞參數(shù)的誤差來源于對晶面間距d的測量誤差，即衍射角的測量誤差：上式表明，相同衍射角測量誤差對d引起的誤差隨衍射角增大而減小晶胞參數(shù)的系統(tǒng)誤差系統(tǒng)誤差主要是儀器本身的零點不準(zhǔn)，樣品表面狀態(tài)引起的誤差。這些誤差可通過校正來消除晶胞參數(shù)的精確測量方法用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)校準(zhǔn)儀器誤差，如在樣品粉末中加標(biāo)準(zhǔn)Si來校準(zhǔn)譜線的衍射角外推法精確計算點陣常數(shù)。根據(jù)衍射角與面間距誤差的關(guān)系，將衍射角外推到180°時，衍射角位置引起的誤差為0結(jié)構(gòu)精修。用一定的峰形函數(shù)對實驗數(shù)據(jù)進行擬合，使兩者的誤差達到最小全譜擬合Retiveld提出，采用一定的峰形函數(shù)對實驗數(shù)據(jù)擬合，通過不斷調(diào)整峰形函數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，使計算值一步一步地逼近實驗值，直到兩者的差值R最?。菏街衱i——權(quán)重因子，wi=1/YiYoi,Yci——步進掃描第i步的實測強度和計算強度使R值最小的過程就是圖譜擬合過程。通過修正晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)，使擬合函數(shù)和由晶體結(jié)構(gòu)計算出來的峰形函數(shù)吻合，就是晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)精密化過程儀器與材料儀器：18KW轉(zhuǎn)靶X射線衍射儀數(shù)據(jù)處理軟件：數(shù)據(jù)采集與處理終端與數(shù)據(jù)分析軟件MDIJade6實驗材料：進行多晶X射線衍射實驗可用塊體或粉末1.試樣制備要求試樣的粒度：一般要求用過325目篩子的粉末（約40μm），要測量到良好的衍射線，晶粒大小應(yīng)為0.1～10μm。試樣晶粒過大，實際參加衍射的晶粒數(shù)目過少，使衍射強度降低。試樣晶粒太?。?lt;0.1μm），會導(dǎo)致衍射線的寬化。試樣的大小、厚度與表面質(zhì)量：試樣的表面積大于X射線的照射區(qū)。試樣的厚度通常為1.5～2mm，以獲得最大的接收強度和較好的強度測量重現(xiàn)性。試樣表面的平整狀況影響所測衍射線的位置、形狀與強度。由于X光入射線僅能穿透試樣的表面層（如用CuKα照W試樣，1.5μm厚的表面所貢獻的衍射強度約為總強度85%），因此要特別注意試樣的表面質(zhì)量，必要時可用化學(xué)試劑蝕刻試樣表面。避免產(chǎn)生擇優(yōu)取向：只有當(dāng)試樣中的晶粒取向是隨機分布時，所測試的衍射線相對強度才與理論值大體一致，才具有代表性。為消除組織織構(gòu)，需要將試樣進行退火處理。2.樣品制備：固體塊狀樣品需加工出一個18×12mm2平面。要注意加工過程不要引起擇優(yōu)取向，需要應(yīng)通過適當(dāng)?shù)耐嘶鹛幚?。粉末樣品制備的最常用的方法是研磨后過篩，再壓片法或涂片法將粉末壓制在制樣框上壓片法：把制樣框反放在玻璃平面上，將粉末灑入制樣框的窗口中，再將樣品壓緊，小心地把制樣框從玻璃平面上拿起涂片法：把粉末撒在一片大小約25×35×1mm3的顯微鏡載片上，然后加上足夠量的丙酮或酒精，使粉末成為薄層漿液狀后再均勻地涂布在制樣框上。3.上機實驗：使用已經(jīng)做好的XRD衍射峰照片（組號為13：單相為CaMoO4;多相材料為Co）實驗步驟1測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)備樣品；打開X射線衍射儀；按下“Door”按鈕，聽到報警；向右拉開“常規(guī)衍射儀門”，裝好樣品；向左輕拉“常規(guī)衍射儀門”，使之合上；打開“控制測量”程序，輸入實驗條件和樣品名，開始測量；表1實驗參數(shù)設(shè)定：儀器掃描范圍掃描度電壓電流D/max2500型X射線衍射儀10-808°/min40KV250mA按相同的實驗條件測量其它樣品的衍射數(shù)據(jù)。2物相鑒定打開Jade，讀入衍射數(shù)據(jù)文件；鼠標(biāo)右鍵點擊S/M工具按鈕，進入“Search/Match”對話界面;選擇“Chemistryfilter”，進入元素限定對話框，選中樣品中的元素名稱，然后點擊OK返回對話框，再點擊OK；從物相匹配表中選中樣品中存在的物相。在所選定的物相名稱上雙擊鼠標(biāo)，顯示PDF卡片，按下Save按鈕，保存PDF卡片數(shù)據(jù)；如果樣品存在多個物相，在主要相鑒定完成后，選擇剩余峰(未鑒定的衍射)，做“Search/Match”，直至全部物相鑒定出來。鼠標(biāo)右鍵點擊“打印機”圖標(biāo)，顯示打印結(jié)果，按下“Save”按鈕，輸出物相鑒定結(jié)果。以同樣的方法標(biāo)定其它樣品的物相,物相鑒定實驗完成。3物相定量分析在Jade窗口中，打開一個多相樣品的衍射譜；完成多相樣品的物相鑒定，物相鑒定時，選擇有RIR值的PDF卡片；選擇每個物相的主要未重疊的衍射峰進行擬合，求出衍射峰面積；選擇菜單“Options|EasyQuantitative”，按絕熱法計算樣品中兩相的重量百分?jǐn)?shù)；按下“Save”按鈕，保存定量分析結(jié)果，定量分析數(shù)據(jù)處理完成。計算公式:,五實驗數(shù)據(jù)處理1物相鑒定結(jié)果單相：CaMoO4PDF#85-0585:QM=Calculated(C);d=Calculated;I=CalculatedPowellite,synCaRadiation=CuKa1 Lambda=1.54060 Filter=Calibration= 2T=18.654-89.725 I/Ic(RIR)=7.45Ref:CalculatedfromICSDusingPOWD-12++Tetragonal-SingleCrystal,I41/a(88) Z=4 mp=CELL:5.226x5.226x11.43<90.0x90.0x90.0> P.S=tI24(?)Density(c)=4.255 Density(m)=4.00A Mwt=200.02 Vol=312.17 F(30)=999.9(.0000,33/0)Ref:Guermen,E.,Daniels,E.,King,J.S.J.Chem.Phys.,v55p1093(1971)StrongLines:3.10/X4.75/31.93/31.59/23.08/22.61/11.69/12.86/11.85/11.58/1FIZ=023699:NoRvaluegiven.ITFPreparedfromoxides.SeePDF00-029-0351andICSD62219.CrystalStructureRefinementofSrMoO4,SrWO4,CaMoO4,AndBaWO4byNeutronDiffractionfba(I41/AS)ABX42-Theta d(?) I(f) (hkl) Theta 1/(2d) 2pi/d n^218.654 4.7528 33.2 (101) 9.327 0.1052 1.3220 28.745 3.1031 100.0 (112) 14.373 0.1611 2.0248 28.978 3.0787 16.7 (103) 14.489 0.1624 2.0409 31.277 2.8575 11.3 (004) 15.638 0.1750 2.1988 34.290 2.6130 14.3 (200) 17.145 0.1914 2.4046 37.827 2.3764 0.9 (202) 18.913 0.2104 2.6440 39.316 2.2898 7.6 (211) 19.658 0.2184 2.7440 39.846 2.2605 3.7 (114) 19.923 0.2212 2.7796 43.158 2.0944 0.6 (105) 21.579 0.2387 3.0000 45.492 1.9922 2.8 (123) 22.746 0.2510 3.1539 47.088 1.9283 26.4 (204) 23.544 0.2593 3.2584 49.277 1.8477 10.9 (220) 24.639 0.2706 3.4006 51.970 1.7581 0.1 (222) 25.985 0.2844 3.5739 53.140 1.7221 0.6 (301) 26.570 0.2903 3.6485 54.119 1.6932 12.4 (116) 27.059 0.2953 3.7107 56.243 1.6342 3.6 (125) 28.121 0.3060 3.8447 58.051 1.5876 19.4 (312) 29.025 0.3149 3.9578 58.183 1.5843 10.7 (303) 29.092 0.3156 3.9660 59.238 1.5586 0.5 (107) 29.619 0.3208 4.0314 59.531 1.5516 8.1 (224) 29.766 0.3223 4.0496 64.781 1.4379 2.0 (321) 32.391 0.3477 4.3696 65.249 1.4288 1.1 (008) 32.624 0.3500 4.3977 67.550 1.3856 1.2 (305) 33.775 0.3609 4.5348 69.304 1.3547 1.9 (233) 34.652 0.3691 4.6380 70.265 1.3385 1.6 (127) 35.132 0.3735 4.6941 70.623 1.3326 0.3 (118) 35.312 0.3752 4.7149 72.254 1.3065 2.3 (400) 36.127 0.3827 4.8092 74.427 1.2736 0.3 (402) 37.213 0.3926 4.9333 75.388 1.2598 0.9 (141) 37.694 0.3969 4.9876 75.825 1.2536 4.7 (208) 37.913 0.3989 5.0122 76.201 1.2483 8.1 (136) 38.101 0.4005 5.0332 77.243 1.2341 0.5 (109) 38.622 0.4052 5.0914 77.991 1.2241 0.2 (235) 38.995 0.4085 5.1329 79.539 1.2041 3.4 (332) 39.769 0.4152 5.2180 79.654 1.2027 1.5 (413) 39.827 0.4157 5.2243 80.568 1.1913 0.7 (307) 40.284 0.4197 5.2741 80.824 1.1882 3.3 (404) 40.412 0.4208 5.2880 82.472 1.1686 3.4 (420) 41.236 0.4279 5.3768 84.568 1.1449 0.1 (242) 42.284 0.4367 5.4881 85.924 1.1302 2.3 (334) 42.962 0.4424 5.5591 85.924 1.1302 2.3 (228) 42.962 0.4424 5.5591 87.305 1.1159 0.4 (129) 43.653 0.4481 5.6307 88.036 1.1085 0.2 (145) 44.018 0.4511 5.6682 89.725 1.0920 2.2 (1110) 44.863 0.4579 5.7540 說明：已知樣品為含有Ca-Mn-O元素的物質(zhì)，在元素周期表中選擇Ca、Mn、O元素，并在已設(shè)定的PDF檢索庫中檢索，最后得到一個較好匹配的一個CaMoO4相；2定量分析結(jié)果多相：Co說明：已知樣品為含有Co元素的物質(zhì)，在元素周期表中選擇Co元素，并在已設(shè)定的PDF檢索庫中檢索，最后得到兩個較好匹配的一個Co相,說明該物質(zhì)為兩相物質(zhì)。IAl=,IMgZn2=,KAl=,KMgZn2==62.7%=37.3%六結(jié)果與討論本次實驗采用的儀器為X射線衍射儀，它是按照晶體對X射線衍射的幾何原理設(shè)計制造的。布拉格方程是X射線衍射儀最基本的理論基礎(chǔ)，也是進行X射線檢測最根本和重要的理論依據(jù)之一。由可知，確定了一組相互對應(yīng)的θ與λ便可求出一組干涉面的面間距d，當(dāng)干涉指數(shù)互質(zhì)時，干涉面就代表一族真實的晶面。因為存在系統(tǒng)消光，并非所有滿足布拉格方程的干涉面都有對應(yīng)的衍射條紋。為保證能得到足夠的衍射譜線以分析，X射線衍射儀使用的是粉末樣品，用單色（標(biāo)識）X射線照射多晶體試樣，即多晶體衍射方法，并且同時使樣品轉(zhuǎn)動（θ-2θ連動），設(shè)計2:1的角速度比，目的是確保探測的衍射線與入射線始終保持2θ的關(guān)系，即入射線與衍射線以試樣表面法線為對稱軸，在兩側(cè)對稱分布；輻射探測器接收到的衍射是那些與試樣表面平行的晶面產(chǎn)生的衍射；同樣的晶面若不平行于試樣表面，即使產(chǎn)生衍射，其衍射線進不了探測器，不能被接受；X射線源由X射線發(fā)生器產(chǎn)生，其線狀焦點位于測角儀周圍位置上固定不動。在線狀焦點S到試樣O和試樣產(chǎn)生的衍射線到探測器的光路上還安裝有多個光闌以限制X射線的發(fā)散；當(dāng)探測器由低θ角到高θ角轉(zhuǎn)動