X射线衍射实验技术

,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,现代材料研究方法,X,射线粉晶衍射实验技术,汤云晖,技术指标,X,射线发生部,3kW,，,CPU,控制,测角仪,2,，,联动，,或,2,独立,测量角度的重现性,0.001,(),扫描角度范围,-6,163,（,2,）,，,-180,180,（,）,X,射线粉晶衍射仪,岛津,XRD-7000,型,X,射线粉晶衍射仪,基本组成,X,光管,测角仪,探测器,计算机系统,X,光管,测角仪,样品台,探测器,什么是,X,射线？,X,射线是波长,(0.01,100),的电,磁波。,nm,m,mm,cm,m,km,波,长,（）,X,射线,可,见,光,微波,无线电波,紫外,线,红,外,线,射线,金属靶,高压电源,-,X,射线,热电子,X,射线管,真空中,，用,高,电压,加速熱,电,子,轰击,金属,靶时，产生,X,射线。,X,射线的产生,特,征,射线发,生,的机制,主要,靶金属的,特征,X,射线,波,长,（,）,靶,2,1,Cr,2.294,2.290,2.085,Fe,1.940,1.936,1.757,Co,1.793,1.789,1.621,Cu,1.544,1.541,1.392,Mo,0.7135,0.7093,0.6323,Ag,0.5638 0.5594,0.4970,W,0.2188,0.2090,0.1844,布拉格方程,布拉格定律,晶体是由许多平行的原子面组成的，,X,射线衍射可以看作是原子面对入射线的反射,。在,X,射线照射到的原子面中所有原子的散射波在原子面反射方向上的相位是相同的，是干涉加强的方向。,X,射线在晶体中的衍射,从,平行,样品表,面,的,晶粒晶,格面,，观察,到衍射,X,射线。,入射,X,射线,无衍射,X,射线。,单晶,多晶,入射,X,射线,衍射仪工作原理,由,X,射线管发射出的,X,射线照射到试样上产生衍射现象，用辐射探测器接收衍射线的,X,线光子，经测量电路放大处理后在显示或记录装置上给出精确的,衍射线位置、强度和线形,等衍射数据。这些衍射数据作为各种实际应用问题的原始数据。,和,2,角可以根据需要单独驱动或自动匹配连动,和,2,角一般以,1,：,2,的角速度联合驱动,测角仪的扫描范围：正向,2,可达,165,，负向可达,-100,，,2,角测量的绝对精度为,0.02,，重复精度为,0.001,内容,衍射仪知识,实验操作,PDF,卡片与物相鉴定,X,衍射应用,软件介绍：,Pcpdfwin,Jade,样品要求,测试样品，可以为粉末，或是块状、板状、片状、丝状，或是带衬底材料的薄膜或带基材的镀层等原始形状。,粉末样品：一般要求,0.5g,，至少,20mg,（视密度和衍射能力而定），粒度要求,100m,（,200-400,目）。,块状样品：要求具有一个面积小于,1.8cm X 1.8cm,的平面，无应力和织构。,薄膜样品：要求长、宽小于,1.8cm,。,测试条件,扫描范围,:,常规,20-80,度,扫描方式,:,连续扫描,-,扫描速度快，工作效率高。进行全扫描测量，一般选用此法。测量精度受扫描速度和时间常数的影响。,步进扫描,-,每步停留的测量时间较长，测量精度很高，适合作各种定量分析，扫描精度取决于步进宽度和步进时间。,狭缝宽度,（,入射,狭缝、防散射狭缝、接收狭缝）,DS SS 1,度,，,RS 0.30mm,扫描速度,2-5,度,/min,（连续模式）,，,0.6,度,/step,（步进模式）,步长,0.02,度,/step,检查仪器是否正常。,打开电源总闸。,依次打开循环冷凝水电源开关及面板开关，控制一定的循环水温度。,打开,X-,射线衍射仪主机电源开关，,Power,灯亮。,打开计算机进入,Pmgr,程序。,鼠标单击，打开三个工作窗口,:,系统参数窗口,测试条件设置窗口,测试窗口,开机,测试,制样，压片。要求样品表面应平整，样品槽外清洁。,打开主机门，将样品片插入主机的样品座中，关上机门。,输入样品名称、测试条件。,点击,Start,，开启,X-,射线管高压，机身左下面板中,X-rays on,指示灯亮，开始对样品进行扫描。,测试完毕，,X-,射线管自动关闭。,重复操作进行下一个样品的测试。,1.,测试结束，退出,Pmgr,程序。,注意：本着先开后关的原则依次关闭程序窗口。,2.,依次关闭主机电源及循环水电源，操作完毕。,切记,X-rays on,指示灯灭后,15,分钟方可关闭。,关机,注意事项,1.,开关门时要轻开轻关，避免震动；,2.,测试过程中切忌打开或试图打开机门；一定要在,X-,射线管自动关闭后，即,X-rays on,指示灯灭后，才可开启机门,；,3.,切记,X-rays on,指示灯灭后,15,分钟方可关闭主机电源及循环水电源；,4.,注意室内通风；,测量部分,原始数据,处理,检索,匹配,定量,计算,高级的数据处理,标准配置,选购软件,操作界面,测,量条件,扫描模式选择：,Continuous Scan-,连续模式,Fixed Scan-,步进模式,扫描范围,步长,扫描速度,计数时间,管电压,管电流,DS,入射狭缝,SS,防散射狭缝,RS,接收狭缝,测量,窗口,测量完成，数据自动以文件形式记录下来。,原始数据处理,。,平 滑,扣本底,扣,K,2,寻 峰,系统误差校正,峰位校正,测试图谱,2,强度,I,单位,-Count CPS,测试条件,Cu,靶（,X,射线波长,1.5406,埃），管电压,40kV,，管电流,30mA,测量范围：,10-80,度，步长：,0.02,度；,计数时间：,0.24,秒 入射狭缝,DS1.00,度，防散射狭缝,SS1.00,度，接收狭缝,0.30mm,衍射峰数据,衍射峰数据，包括衍射角度,2,、对应的面网间距,d,、衍射强度,I/I1,，半高宽,FWHM,，强度、积分强度。,I/I1,以最强峰为,100,，其余峰强度与之相比乘以,100,。,三强峰,所有衍射峰数据列表,原始数据：,.txt,文件,数据分为两列：,衍射角度,2Theta-,衍射强度,I,。,注意：这是原始数据，,包括,K,1,和,K,2,衍射在内,测试条件,X,光管,Cu,靶，管电压,40kV,，管电流,30mA,狭缝,入射狭缝,DS1.00,度，防散射狭缝,SS1.00,度，接收狭缝,0.30mm,扫描,测量范围：,10-80,度,扫描模式：持续扫描,步长：,0.02,度,计数时间：,0.24,秒,内容,衍射仪知识,实验操作,PDF,卡片与物相鉴定,X,衍射应用,软件介绍：,pcpdfwin,Jade,在材料科学领域，,相是指具有特定结构和性能的物质状态。,材料中原子的排列方式决定了晶体的相结构，原子排列方式的变化导致了相结构的变化。在一种材料中可以同时存在几种相；同种材料在不同条件下可以不同的相存在。,例如，一种材料，用化学分析方法知道由铁和氧元素组成，但不能知道是氧化铁,Fe,2,O,3,还是氧化亚铁,FeO,，或者是磁铁,F,3,O,4,，或者是它们的,混合物,，只能用,X,射线衍射方法来确定。,特别要指出的是，所谓相，不是指化学元素，,X,射线衍射不能分析出材料中所包含的化学元素。相反，化学元素成分作为物相分析的一个已知条件。,什么是物相？,任何一种结晶物质都具有特定的晶体结构,在一定波长的,X,射线照射下，不同的晶体结构产生完全不同的衍射花样,不可能有两种晶体结构的衍射花样完全相同,多相试样的衍射图谱不因为存在多相而产生变化，只是各自衍射花样的机械叠加,物相分析的基本原理,物相分析的方法,利用布拉格公式,2dsin=,，通过计算机将图谱中的衍射峰位转换成,d,值，衍射强度按百分比计算,I,（,I=I,测,/I,最大*,100,），得出只与相的特征有关而与仪器、波长无关的,d-I,列表，代替实际图谱。,国际标准协会测量各种已知物质的,d-I,数据，并存为数据库（每一个物相的数据，称为一张,PDF,卡片）。,将试样的,d-I,数据与数据库中的数据对比,，可检测出待测试样中的物相。,物相分析的历史与发展,1938,年,J.D.Hanawalt,开始，以,d-I,数据组代替衍射花样，制备衍射数据卡片的工作,1942,年“美国材料试验协会”（,ASTM,）出版了大约,1300,张衍射数据卡片，称为,ASTM,卡片,到,1963,年共出版,13,集，以后按每年,1,集的速度递增,1969,年成立了“,粉末衍射标准联合委员会,”，简称为,JCPDS,的国际组织，由它负责编辑和出版粉末衍射卡片，称为,PDF,卡片,，至,2004,年共,54,集，每集约,2000,张。另有通过计算机计算得出的,10,多集（,60-79,）,PDF,资料库,由,International Centre for Diffraction D,ata,出版，,收录各种天然矿物,、,人工化合物,(,有机及无机,),、,元素及合金等的,X-ray,粉末衍射资料,，,对于进行未知物相鉴定或材料成分分析非常有帮助,，,可以输入,PDF number,、,Mineral Name,、,Chemical Name,、,3 Strongest Lines,等栏目查询,，,并提供检索结果打印及存档,。,Power Diffraction File,（,PDF,）是单一物相,X,射线粉末衍射样本的收集,，,其维护和分类工作由国际衍射资料中心,（,ICDD,）,提供,。,每笔资料以表格的形式呈现,，,包括特定的晶面间距,、,对应的相对强度,、,晶面指数,、,晶系,、,密度等均涵盖其中,。,PCPDFWIN.EXE,PDF-2 Sets 1-5,4,Experimental:92011,Inorganic(incl.duals):68701,Organic(incl.duals):25114,Dual phases:1804,Battery:6,Cements:407,Ceramics:1146,Common Phases:3835,Corrosion Products:25228,Educational:1071,Explosives:345,Forensic:3767,Intercalates:130,Ionic Conductors:43,Metals&Alloys:17153,Minerals:8863,NBS:2098,Pharmaceutical:1483,Pigments:342,Polymers:741,Superconductors:1773,Zeolites,:1217,PDF,卡片,PDF,卡片,三强峰,（,1,）,1a,、,1b,、,1c,三个位置上的数据是衍射花样中前反射区（,2 90,）中三条最强衍射线对应的面间距，,1d,位置上的数据是最大面间距。,（,2,）,2a,、,2b,、,2c,、,2d,分别为上述各衍射线的相对强度，其中最强线的强度为,100.,PDF,卡片,晶体学数据：,Sys.,晶系；,S.G,空间群,;,a0,、,b0,、,c0,，,、,、,晶胞参数；,A=a0/b0,，,C=c0/b0,；,Z,晶胞中原子或分子的数目；,Ref,参考资料。,实验条件：,Rad,.,辐射种类（如,Cu,K);,波长；,Filter,滤波片；,Dia,.,相机直径；,Cut off,相机或测角仪能测得的最大面间距；,Coll,光阑尺寸；,I/I1,衍射强度的测量方法；,d,corr.abs,.?,所测值是否经过吸收校正；,Ref,参考资料,PDF,卡片,光学性质：,、,n,、,折射率；,Sign,光性正负；,2V,光轴夹角；,D,密度；,mp,熔点；,Color,颜色；,Ref,参考资料。,PDF,卡片,试样来源，制备方法；化学分析，有时亦注明升华点（,S.P.,），分解温度（,D.T.,），转变点（,T.P.,），摄照温度等。,PDF,卡片,物相的化学式和名称,矿物学名称,卡片顺序号,由集的序号和卡片序号组成,注：,