南京大學(xué)近代物理實(shí)驗(yàn)

X射線衍射的定量物相分析摘要：X射線在晶體中的衍射，實(shí)質(zhì)上是大量原子散射波互相干涉的結(jié)果。每種晶體所產(chǎn)生的衍射花樣都是其內(nèi)部原子分布規(guī)律的反映。本實(shí)驗(yàn)利用自動(dòng)化X射線衍射儀和專用的數(shù)據(jù)分析軟件，進(jìn)行定量物相分析。關(guān)鍵詞：X射線衍射，特征譜，粉末法一、引言作為結(jié)構(gòu)研究基礎(chǔ)的X射線晶體學(xué)已趨成熟，相關(guān)繁重計(jì)算因計(jì)算機(jī)的使用而成為可行。它的應(yīng)用日趨富有成效，已成為必不可少的工具。材料科學(xué)的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究中，功能意識(shí)的加強(qiáng)以及對(duì)結(jié)構(gòu)與性能聯(lián)系規(guī)律認(rèn)識(shí)的不斷提高，人們期望著實(shí)現(xiàn)以性能為導(dǎo)向?qū)ふ液驮O(shè)計(jì)最適宜結(jié)構(gòu)的最佳化合物，并付諸實(shí)施。宏觀表象轉(zhuǎn)移至微觀認(rèn)識(shí)。結(jié)構(gòu)參數(shù)信息帶來(lái)新觀念和生產(chǎn)工藝改進(jìn)，為研制新材料、建立新理論提供依據(jù)有著重要的意義和不可限量的前景。多晶X射線衍射樣品易得，樣品與實(shí)際體系相接近，作為研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)，質(zhì)量檢查的X射線衍射分析技術(shù)應(yīng)用極為廣泛。二、實(shí)驗(yàn)原理1.晶體的X射線衍射凡是號(hào)速運(yùn)動(dòng)的電子沛現(xiàn)其它禹無(wú)罰虱〔如Y射紋.K射我』中于諭奇）桂英旗藏譴時(shí)均能產(chǎn)生X射場(chǎng)，產(chǎn)生條牛：電子流、高壓、登面、TH空室、冷卻.寮筑〕X肘翠皆的散豐中是揩皂子流施暨中用于產(chǎn)主X肘裂的百分改即rl=.—■■= =jEZi-?明性浙"JF———電子—X射線X射線管封閉管光源朝面用金屬做成:Cr.Fe.M^o.Cu.Mo.Ag.W.靶材料的原子.序數(shù)愈大，X射線波長(zhǎng)愈短，能量愈大，穿透能力愈強(qiáng).18kW轉(zhuǎn)靶隅菽我服乂4寸線1普”-連續(xù)入§寸線譜（不同管電壓下連續(xù)x射線譜）產(chǎn)生機(jī)理：由陰極燈連所發(fā)射的缺量巨大電于以極高的速度撞向田役靶，囊射電跑波即薛放;（射哉。這些電于讀何用極和上的條件和時(shí)間不同，產(chǎn)生電磴程射也各不相司,而形成各種戒長(zhǎng)的連溪X射編潔'晅岐瞅殖波但"只與管電日有關(guān),《，\廣，'…當(dāng)x射統(tǒng)光營(yíng)電氏一定時(shí)，某一個(gè)電亍的全部朝能完全轉(zhuǎn)化為一'X射線的尤量田，此x射巍北量子的能量最大,波長(zhǎng)最短*式中e 電子電荷r等于+.soa^10-10靜電單位;v——電子通過(guò)兩理時(shí)的電壓降〔有電單位）1h 貴目E克配掃連續(xù)諸髭翌.囹箸殖表達(dá)式：L=C2（t譯）伊標(biāo)一1也）式宇D為常數(shù)，E為陽(yáng)棋靶材料的.原子序數(shù)=3,X射線譜…特征譜?悸征贛長(zhǎng)在連蛆譜的某些特定的彼仁位置上之迎豹一素列逾冥罪鬲陌長(zhǎng)葩國(guó)叩璋前魂4K北帝，靶例一司r波長(zhǎng)恒定，,帝旺諾中k票心1司心.波時(shí)a為相近難為也做可該濾。Anndr-KO,1.^44^A嘩|K?%]i.角也Adrzm陽(yáng)L9映1.7W51UL7BW"心匚L5網(wǎng)MbOlFCHTDiD.^llWD.GIJ-Jfl特征譜產(chǎn)生原理京子的殼賓吉構(gòu)與電子的玲1.放出光子能量特征X射線的命名分類N系、l.-!?,：,kK系譜琵:外，妄電亍填K曇空穴產(chǎn)生的特iiExm^Ka、KLL素譜線:外層電子JKL晨空穴產(chǎn)生的特5DC肘線LekLp...4.X射線與物質(zhì)的作用 ?X射鯉與物質(zhì)相.互作用產(chǎn)生各神夏條過(guò)程°（相干散射是產(chǎn)生衍肘花樣原困）就其能量蔣揉而言，一萩乂射旎通過(guò)物質(zhì)分為三部分;教射.吸收，攫過(guò)物質(zhì)沿原去的方向悔播，

晶體衍射Bragg公式2dhkisin"山=肓Ir桁射必些條fh實(shí)質(zhì)；MiX日井」?彼長(zhǎng)的按俗敖n乳（揭用一通）BD+DC=2亂由Min伏展r匚右』Bragg公式蹌相sin6hkl=nA應(yīng)用:X射線的箭射幾何，主要解決了；產(chǎn)生銜射的條件（滿足Bragg方程）與產(chǎn)生衍射方向日田gg方程確定的衍射角20兩個(gè)問(wèn)題口?將晶體結(jié)構(gòu)周期性（通過(guò)d）村射線本質(zhì)（通過(guò)入）結(jié)合起來(lái)，并反映在圖像上（通過(guò)B）。?人恒定，通過(guò)測(cè)。求d｛晶體結(jié)構(gòu)分析〕?d恒定，通過(guò)測(cè)（）求丸（熒光分析＞■波粒性E=hC/A（能譜分析）,衡射充要條件糾酣產(chǎn)切?由二FigMO

NaCI的粉末衍射儀圖譜NaCI的粉末衍射儀圖譜(CuKa)不同物.質(zhì)的昂體些構(gòu)不司，竹射花樣三要囊：嵯位.、嵯袒'巍形不同-三、 實(shí)驗(yàn)儀器德國(guó)布魯克公司D8X射線衍射儀：X射線光源:3kW封閉靶(陶瓷X光管)；測(cè)角儀：掃描方式9/9聯(lián)動(dòng)測(cè)角儀，測(cè)角儀的樣品臺(tái)水平放置并保持不動(dòng)，角度重現(xiàn)性達(dá)到0.0001°；驅(qū)動(dòng)方式：步進(jìn)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)；最高定位速度：1500°/min狹縫系統(tǒng)：包括索勒狹縫、發(fā)散狹縫、防散射狹縫、接受狹縫等；LynxEye探測(cè)器：(1)強(qiáng)度增益比常規(guī)的閃爍計(jì)數(shù)器高150倍，同時(shí)具有優(yōu)秀的分辨率及信噪比；(2)超快的測(cè)量速度；(3)良好的低角度測(cè)量性能；(4)良好的分辨率；循環(huán)水冷系統(tǒng):要求連續(xù)工作；控溫精度W±2°C;供水流量，滿足發(fā)生器要求，進(jìn)水度可調(diào)；過(guò)熱保護(hù)。四、 實(shí)驗(yàn)步驟：按照D8X射線衍射儀操作規(guī)程開機(jī)。(1)開總電源。（3）開循環(huán)水。（4） 開儀器電源（按綠色按鈕，由4燈全亮變成ON和ALARM燈亮）。（5） 開X-ray高壓（右側(cè)扳手順時(shí)針向上扳45度保持3~5秒，直到Ready燈亮）。（6） 開BIAS（在前蓋盤內(nèi)）。（7） 開軟件XRDCommander。測(cè)量。打開XRDCommander，先初始化（點(diǎn)擊兩個(gè)軸上面的選項(xiàng)Requested，選定兩個(gè)軸，使Tube為20，Detector為20，點(diǎn)擊菜單里的初始化圖標(biāo)進(jìn)行初始化）。做物相分析在Scantype中選LockedCoupled，并且在Detail中將探測(cè)器改為1D。在XRDCommander中選擇各參數(shù)（起始角、終止角、步長(zhǎng)等）開始測(cè)量。即可獲得一張衍射圖譜，將其保存為.raw文件。對(duì)于未知的樣品：首先，掃描范圍0.10~900，步長(zhǎng)大些，快速掃描。然后，參照第前面的譜線，把掃描起始角放在第一個(gè)峰前一點(diǎn)，把終止角放在最后一個(gè)峰后一點(diǎn)。對(duì)于一般定性分析用連續(xù)掃描。對(duì)于定量分析（例如無(wú)標(biāo)樣定量相分析等）對(duì)強(qiáng)度要求高，就用步進(jìn)掃描。按照D8X射線衍射儀操作規(guī)程關(guān)機(jī)。數(shù)據(jù)處理。（1） 打開Eva軟件。（2） 將待處理的數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入。點(diǎn)擊File/Import/Scan調(diào)入原始數(shù)據(jù)文件*.raw進(jìn)行處理（或點(diǎn)擊File/Open調(diào)入*.EVA文件進(jìn)行處理）。3）在ToolBox框內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。i） 扣背景：點(diǎn)擊Backgnd/點(diǎn)擊Default/點(diǎn)擊Replace，顯示扣背景處理后的數(shù)據(jù)（也可以點(diǎn)擊Backgnd，把門檻threshold改為“0”，上下移動(dòng)滑塊，調(diào)整至合適背景，點(diǎn)擊“Replace”，顯示扣背景處理后的數(shù)據(jù)）。ii） 刪除k：點(diǎn)擊Stripk/點(diǎn)擊Default/點(diǎn)擊Replace，顯示處理后的數(shù)據(jù)（也可以上下移動(dòng)滑塊調(diào)整至合適，單擊Replace，顯示處理后的數(shù)據(jù)）。iii） 平滑處理：?jiǎn)螕鬝mooth/點(diǎn)擊Default/點(diǎn)擊Replace，顯示處理后的數(shù)據(jù)（也可以設(shè)定需要平滑的參數(shù)，左右或上下移動(dòng)滑塊進(jìn)行調(diào)整，合適后單擊Replace，顯示處理后的數(shù)據(jù)）。iv） 尋峰：點(diǎn)擊PeakSearch，設(shè)定尋峰參數(shù)（門檻threshold與峰寬Width標(biāo)定，可以上下移動(dòng)滑塊進(jìn)行調(diào)整）。點(diǎn)擊“Appendtolist”標(biāo)定全譜衍射d值（標(biāo)定漏峰只需按左鍵將“I”拖移至峰頂點(diǎn)擊即可，刪除峰可點(diǎn)擊刪除峰與“X”即可），此時(shí)數(shù)據(jù)在peak狀態(tài)列于框內(nèi)。（4） 選定所有的峰，單擊MadeDIF生成DIF文件。（5） 物相的定性分析：點(diǎn)擊Search/Match。在Search/Match框內(nèi)選擇前三個(gè)QualityMarks，選擇可能的元素，并選擇Pattern，點(diǎn)擊Search進(jìn)行檢索/匹配。（先選ToggleAll/點(diǎn)擊左上角的元素“H”可以將所有的元素變?yōu)榧t色，即肯定沒(méi)有。/選擇肯定有的點(diǎn)成綠色。/選擇可能有的點(diǎn)成灰

色。紅色肯定沒(méi)有。）。最后根據(jù)列表給出的可能物質(zhì)通過(guò)比較卡片內(nèi)的譜線和實(shí)際測(cè)量出譜線的吻合程度來(lái)確定組成成分，也就完成了X射線衍射的初步分析工作。五、數(shù)據(jù)處理結(jié)果計(jì)算機(jī)輸出的衍射圖譜分析結(jié)果如下圖所示，可以看出該樣品含有Mg、Si及O三種元素。七的 樣品的衍射峰分析結(jié)果六、思考題為什么衍射儀記錄的始終是平行于試樣表面的衍射？答：晶面若不平行于試樣表面，盡管也產(chǎn)生衍射，但衍射線進(jìn)不了探測(cè)器，不能被接收。平行表面的晶面有無(wú)衍射產(chǎn)生？答：有衍射產(chǎn)生。用衍射儀如何區(qū)分單晶、多晶和非晶？答：1、單晶結(jié)構(gòu)：結(jié)晶體內(nèi)部的微粒在三維空間呈有規(guī)律地、周期性地排列，或者說(shuō)晶體的整體在三維方向上由同一空間格子構(gòu)成，整個(gè)晶體中質(zhì)點(diǎn)在空間的排列為長(zhǎng)程有序。2.多晶結(jié)構(gòu)：多晶結(jié)構(gòu)薄膜是由若干尺寸大小不等的晶粒所組成。3、非晶結(jié)構(gòu)