《X射線衍射方法》課件

X射線衍射方法X射線衍射是一種強(qiáng)大的技術(shù)，用于確定材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。它利用X射線與物質(zhì)相互作用時(shí)產(chǎn)生的衍射圖樣，提供有關(guān)原子排列的信息。X射線基本性質(zhì)1電磁波X射線是一種波長(zhǎng)很短的電磁波，通常在0.01至10納米之間。2高能量X射線具有高能量，能夠穿透物質(zhì)，并與物質(zhì)發(fā)生相互作用。3穿透性X射線的穿透能力取決于物質(zhì)的密度和X射線的能量。4波動(dòng)性和粒子性X射線同時(shí)具有波動(dòng)性和粒子性，表現(xiàn)為波粒二象性。X射線的產(chǎn)生電子加速電子束被加速到高能量，通常在真空管中使用高電壓加速。靶材轟擊加速的電子轟擊金屬靶材，如鎢或銅，使靶材中的原子發(fā)生躍遷。X射線發(fā)射躍遷的原子會(huì)釋放能量，部分以X射線形式發(fā)射，這些射線具有穿透力。過(guò)濾和檢測(cè)X射線通過(guò)濾波器去除不需要的波長(zhǎng)，然后被探測(cè)器捕獲，用于測(cè)量強(qiáng)度。X射線的檢測(cè)1電離室氣體電離原理2正比計(jì)數(shù)器氣體增益放大3蓋革計(jì)數(shù)器高壓氣體放電4閃爍計(jì)數(shù)器熒光物質(zhì)發(fā)光X射線檢測(cè)器是X射線衍射儀的核心部件，用于接收并記錄衍射信號(hào)。常用的X射線檢測(cè)器包括電離室、正比計(jì)數(shù)器、蓋革計(jì)數(shù)器和閃爍計(jì)數(shù)器等，它們的工作原理各不相同，但都基于X射線與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的信號(hào)。晶體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)晶體定義晶體是指原子或分子在三維空間內(nèi)按照一定規(guī)律排列形成的固體。晶體具有規(guī)則的幾何形狀，如立方體、六角形等。晶格晶格是指晶體中原子或分子排列的周期性結(jié)構(gòu)，可以用一組特定的晶格點(diǎn)來(lái)表示。每個(gè)晶格點(diǎn)代表一個(gè)原子或分子。晶格類(lèi)型包括簡(jiǎn)單立方、體心立方、面心立方等。晶胞晶胞是最小的重復(fù)單元，它包含了晶體中所有原子或分子的排列信息，可以用來(lái)描述整個(gè)晶體的結(jié)構(gòu)。晶體的定義和分類(lèi)晶體定義晶體具有規(guī)則的幾何形狀和固定的內(nèi)部分子排列，這是其最重要的特征。晶體分類(lèi)晶體可以根據(jù)其晶格結(jié)構(gòu)分為七大晶系，每種晶系又包含多種不同的晶格類(lèi)型。晶格類(lèi)型常見(jiàn)的晶格類(lèi)型有簡(jiǎn)單立方晶格、體心立方晶格、面心立方晶格等，每種晶格類(lèi)型都有獨(dú)特的晶格參數(shù)。晶體的對(duì)稱(chēng)性對(duì)稱(chēng)操作平移、旋轉(zhuǎn)、鏡面反射等點(diǎn)群和空間群描述晶體對(duì)稱(chēng)性對(duì)稱(chēng)元素對(duì)稱(chēng)軸、對(duì)稱(chēng)面、對(duì)稱(chēng)中心晶體的對(duì)稱(chēng)性是指晶體結(jié)構(gòu)中存在某些對(duì)稱(chēng)操作，在操作后晶體結(jié)構(gòu)保持不變。晶體的對(duì)稱(chēng)性是晶體結(jié)構(gòu)的重要特征，可以用來(lái)確定晶體的空間群和點(diǎn)群，從而預(yù)測(cè)晶體的物理性質(zhì)。布拉格衍射定律布拉格衍射定律解釋了X射線在晶體中發(fā)生衍射的原理。該定律表明，當(dāng)X射線束入射到晶體表面時(shí)，只有滿足一定條件的X射線才能被晶體反射。2角度入射角和反射角相等n波長(zhǎng)入射X射線的波長(zhǎng)d間距晶體中相鄰原子平面的間距晶體結(jié)構(gòu)的確定方法1X射線衍射實(shí)驗(yàn)收集衍射數(shù)據(jù)2數(shù)據(jù)處理計(jì)算結(jié)構(gòu)因子3結(jié)構(gòu)解析確定原子位置4結(jié)構(gòu)精修優(yōu)化模型參數(shù)確定晶體結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行一系列步驟。首先，通過(guò)X射線衍射實(shí)驗(yàn)收集衍射數(shù)據(jù)。接著，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算結(jié)構(gòu)因子。然后，利用結(jié)構(gòu)解析方法確定原子在晶胞中的位置。最后，通過(guò)結(jié)構(gòu)精修進(jìn)一步優(yōu)化模型參數(shù)，得到更精確的晶體結(jié)構(gòu)信息。單晶X射線衍射分析1數(shù)據(jù)收集將單晶樣品置于X射線束中，收集衍射數(shù)據(jù)。選擇合適的單晶樣品確定樣品的空間群和晶胞參數(shù)使用衍射儀收集數(shù)據(jù)2數(shù)據(jù)處理將收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到衍射強(qiáng)度和衍射角信息。去除背景噪聲和非晶散射校正數(shù)據(jù)，確保衍射強(qiáng)度和角度的準(zhǔn)確性對(duì)衍射數(shù)據(jù)進(jìn)行積分和歸一化3結(jié)構(gòu)解析利用衍射數(shù)據(jù)解析晶體結(jié)構(gòu)，確定原子在晶胞內(nèi)的位置和化學(xué)鍵合方式。使用直接法或帕特森法確定原子位置進(jìn)行結(jié)構(gòu)精修，優(yōu)化原子位置和熱振動(dòng)參數(shù)驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性晶體的單胞和晶格參數(shù)晶胞晶胞是晶體結(jié)構(gòu)中最小的重復(fù)單元。晶格參數(shù)晶格參數(shù)描述了晶胞的尺寸和形狀。六個(gè)參數(shù)三個(gè)晶胞邊長(zhǎng)三個(gè)晶胞夾角重要信息晶格參數(shù)可以揭示晶體材料的性質(zhì)。晶胞內(nèi)原子坐標(biāo)的確定1傅里葉變換利用衍射數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換，得到電子密度分布圖。2峰值分析電子密度分布圖上峰值的位置對(duì)應(yīng)原子坐標(biāo)。3精修和優(yōu)化通過(guò)最小二乘法等方法，精修原子坐標(biāo)和其它晶體參數(shù)。結(jié)構(gòu)因子和衍射強(qiáng)度結(jié)構(gòu)因子表示晶胞中原子對(duì)X射線衍射的貢獻(xiàn)。衍射強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)因子的平方成正比，也與其他因素相關(guān)。結(jié)構(gòu)因子衍射強(qiáng)度反映原子排列對(duì)衍射的影響取決于結(jié)構(gòu)因子和實(shí)驗(yàn)條件晶體結(jié)構(gòu)的精修法最小二乘法通過(guò)調(diào)整晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)，將理論計(jì)算得到的衍射強(qiáng)度與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，找到最小誤差值。傅里葉合成利用實(shí)驗(yàn)測(cè)量的衍射數(shù)據(jù)，計(jì)算晶體電子密度分布，并根據(jù)電子密度圖確定原子位置和熱振動(dòng)參數(shù)。約束精修根據(jù)化學(xué)鍵長(zhǎng)、鍵角等先驗(yàn)信息，對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行約束，提高精修結(jié)果的可靠性。差值傅里葉合成比較理論計(jì)算得到的電子密度圖和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的電子密度圖，找出差異，用于尋找被忽略的原子或確定原子位置的細(xì)微變化。粉末X射線衍射分析1樣品制備粉末樣品需要經(jīng)過(guò)研磨、均勻化等處理，以確保粉末的均勻性。2數(shù)據(jù)采集使用X射線衍射儀照射粉末樣品，收集衍射信號(hào)。3數(shù)據(jù)分析根據(jù)衍射峰的位置、強(qiáng)度等信息，確定材料的晶體結(jié)構(gòu)、物相組成和晶粒尺寸。4結(jié)果解釋分析結(jié)果用于材料的成分分析、結(jié)構(gòu)分析和性能分析。定性相分析物相鑒定粉末X射線衍射數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)卡片庫(kù)比對(duì)，確定樣品中存在的物相。相組成分析識(shí)別樣品中各物相的相對(duì)含量，了解物質(zhì)的組成。物相變化研究分析不同條件下樣品物相的變化，例如加熱、冷卻或反應(yīng)過(guò)程。定量相分析11.標(biāo)準(zhǔn)譜庫(kù)利用已知物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)譜庫(kù)，與待測(cè)樣品的譜圖進(jìn)行比對(duì)，確定存在的物質(zhì)種類(lèi)。22.峰面積法根據(jù)各相對(duì)應(yīng)的衍射峰面積，結(jié)合已知物質(zhì)的密度和摩爾質(zhì)量等參數(shù)，計(jì)算出各相的含量。33.全譜擬合利用計(jì)算機(jī)程序，對(duì)所有衍射峰進(jìn)行擬合，獲得各相的衍射峰面積，并計(jì)算出各相的含量。44.Rietveld法利用全譜擬合方法，對(duì)各相的結(jié)構(gòu)參數(shù)和含量進(jìn)行精修，獲得更準(zhǔn)確的定量分析結(jié)果。微晶樣品分析1粒徑大小微晶尺寸的影響2形貌和結(jié)構(gòu)微晶的形狀和結(jié)構(gòu)3相組成微晶的化學(xué)成分粉末衍射數(shù)據(jù)分析，可以用來(lái)識(shí)別微晶樣品的晶體結(jié)構(gòu)、相組成、晶粒尺寸以及晶格畸變等信息。例如，可以用來(lái)研究納米材料、催化劑、金屬粉末等材料的微觀結(jié)構(gòu)。取向和應(yīng)力分析1晶粒取向X射線衍射可以確定材料內(nèi)部晶粒的取向，即晶體學(xué)方向與宏觀樣品坐標(biāo)系之間的關(guān)系。2應(yīng)力分析通過(guò)分析衍射峰的位移和形狀變化，可以計(jì)算材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力，例如拉伸應(yīng)力和壓縮應(yīng)力。3應(yīng)用廣泛應(yīng)用于金屬材料、陶瓷材料和復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)分析，幫助理解材料性能和失效機(jī)制。X射線測(cè)厚和涂層分析1材料表面涂層厚度2X射線穿透材料內(nèi)部3吸收系數(shù)計(jì)算厚度4不同材料涂層分析X射線測(cè)厚通過(guò)分析X射線穿透材料后的強(qiáng)度變化來(lái)計(jì)算材料的厚度。利用不同材料對(duì)X射線的吸收系數(shù)差異，可以對(duì)涂層進(jìn)行定性分析。X射線小角散射分析1原理利用X射線照射樣品，檢測(cè)散射角小于5°的散射光，分析物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)2應(yīng)用納米材料、高分子材料、生物大分子等3優(yōu)勢(shì)非破壞性、可用于原位研究、可獲得納米尺度信息X射線小角散射（SAXS）是一種廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)和物理學(xué)等領(lǐng)域的非破壞性技術(shù)。SAXS測(cè)量樣品中納米尺度結(jié)構(gòu)的信息，例如孔徑尺寸、形狀和取向，并提供有關(guān)材料組成和形態(tài)的寶貴見(jiàn)解。高分辨透射電子衍射原理與優(yōu)勢(shì)高分辨透射電子衍射(HRTEM)技術(shù)利用電子束穿透樣品，通過(guò)分析衍射圖案來(lái)研究材料的晶體結(jié)構(gòu)，并能直接觀察原子排列。應(yīng)用HRTEM廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)、納米科技、地質(zhì)學(xué)、生物學(xué)等領(lǐng)域，在材料表征、納米結(jié)構(gòu)研究、相變分析、缺陷檢測(cè)等方面發(fā)揮重要作用。圖像分析通過(guò)分析HRTEM圖像的衍射斑點(diǎn)和條紋，可以獲得材料的晶體結(jié)構(gòu)、晶格參數(shù)、相位信息等重要信息，幫助研究人員深入理解材料的微觀結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。應(yīng)用實(shí)例1：金屬材料X射線衍射廣泛用于金屬材料的結(jié)構(gòu)分析。金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)、相組成、晶粒尺寸、殘余應(yīng)力、織構(gòu)等信息可以利用X射線衍射技術(shù)進(jìn)行精確測(cè)量。例如，可以通過(guò)X射線衍射分析金屬材料的相變、析出相的鑒定、材料的熱處理工藝優(yōu)化等。應(yīng)用實(shí)例2：陶瓷材料陶瓷材料，例如氧化物、氮化物和碳化物，具有廣泛的應(yīng)用。X射線衍射在陶瓷材料研究中的應(yīng)用包括：相鑒定、晶體結(jié)構(gòu)分析、微觀結(jié)構(gòu)表征以及應(yīng)力分析。通過(guò)X射線衍射，可以確定陶瓷材料的組成、晶體結(jié)構(gòu)和晶粒尺寸，并能評(píng)估材料的微觀結(jié)構(gòu)和性能，例如硬度、韌性和耐熱性。應(yīng)用實(shí)例3：高分子材料X射線衍射在高分子材料研究中應(yīng)用廣泛，可以用來(lái)確定高分子的結(jié)晶度、晶胞參數(shù)、晶體結(jié)構(gòu)以及分子鏈的排列方式。例如，可以通過(guò)X射線衍射分析聚乙烯、聚丙烯、聚酯等高分子材料的結(jié)晶度，并根據(jù)結(jié)晶度的變化來(lái)研究高分子材料的性能變化。此外，還可以通過(guò)X射線衍射分析高分子材料的取向性，從而確定高分子材料的加工方式和性能。應(yīng)用實(shí)例4：無(wú)機(jī)非金屬材料無(wú)機(jī)非金屬材料，例如玻璃、陶瓷和水泥，在各種工業(yè)應(yīng)用中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。這些材料的結(jié)構(gòu)和性能分析對(duì)于優(yōu)化其性能至關(guān)重要。X射線衍射技術(shù)可用于分析無(wú)機(jī)非金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)、相組成和晶粒尺寸，這些信息可以幫助我們了解材料的性能、加工和老化過(guò)程。儀器設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)自動(dòng)化程度提升現(xiàn)代X射線衍射儀器更加自動(dòng)化，操作簡(jiǎn)便，數(shù)據(jù)采集和分析更加高效，減少了人工干預(yù)。性能提升更高的分辨率，更高的靈敏度和更快的測(cè)量速度，能夠更準(zhǔn)確地識(shí)別和分析材料結(jié)構(gòu)。功能擴(kuò)展集成了多種功能，例如小角散射，高分辨透射電子衍射，以及原位測(cè)量技術(shù)，拓展了應(yīng)用范圍。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理與分析數(shù)據(jù)校正消除背景噪聲和儀器誤差，提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。峰值分析識(shí)別衍射峰，確定峰位、強(qiáng)度和形狀。物相分析利用標(biāo)準(zhǔn)卡片庫(kù)，匹配衍射峰，確定樣品中存在的晶體物相。晶格參數(shù)計(jì)算根據(jù)衍射峰位置，計(jì)算晶胞參數(shù)、晶格常數(shù)等信息。數(shù)據(jù)可視化利用專(zhuān)業(yè)軟件繪制衍射圖譜、晶體結(jié)構(gòu)模型等，方便分析和理解。數(shù)據(jù)庫(kù)和標(biāo)準(zhǔn)卡片的應(yīng)用衍射數(shù)據(jù)檢索數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)大量已知物質(zhì)的衍射圖譜，用于檢索未知樣品成分。標(biāo)準(zhǔn)卡片比對(duì)標(biāo)