XRD测量及原理.ppt

X-射线衍射分析（XRD）X-射线的性质X-射线的产生 X-射线与物质的相互作用 X-射线衍射分析原理 X-射线衍射分析应用X-射线射线一、X-射线的性质 肉眼不能观察到，但可使照相底片感 光、荧光板发光和使气体电离；能透过可见光不能透过的物体；这种射线沿直线传播，在电场与磁场 中不偏转，在通过物体时不发生反射、折射现象，通过普通光栅亦不引起衍射；这种射线对生物有很厉害的生理作用。n n产产生生X-X-射射线线的的方方法法，是是使使快快速速移移动动的的电电子子(或或离离子子)骤骤然然停停止止其其运运动动，则则电电子子的的动动能能可可部部分分转转变变成成X X光能，即辐射出光能，即辐射出X-X-射线射线(连续谱连续谱)。二、X-射线的产生特征X射线谱的产生n n 特特征征X X射射线线的的产产生生与与阳阳极极靶靶原原子子中中的的内内层层电电子子跃跃迁迁过过程程有有关关。如如果果管管电电压压足足够够高高，即即由由阴阴极极发发射射的的电电子子其其动动能能足足够够大大的的时时，那那么么当当它它轰轰击击靶靶时时，就就可可以以使使靶靶原原子子中中的的某某个个内内层层电电子子脱脱离离它它原原来来所所在在的的能能级级，导导致致靶靶原原子子处处于于受受激激状状态态。此此时时，原原子子中中较较高高能能级级上上的的电电子子便便将将自自发发的的跃跃迁迁到到该该内内层层空空位位上上去去，同同时时伴伴随随有有多多余余的的能能量量的的释释放放。多多余余的的能能量量作作为为X X射射线线量量子子发发射射出出来来。显显然然，这这部部分分多多余余的的能能量量等等于于电电子子跃跃迁迁前前所所在在的的能级与跃迁到达的能级之间的能量差。能级与跃迁到达的能级之间的能量差。X射线的频率由下式决定：h 2 1 式中1和2为原子的正常状态能量和受刺 激状态时的能量。当打去K层电子时，所有靠外边的电子层中的电子都可能落到那个空位上，当产生回落跃迁时就产生K系的X射线光谱。K系线中，K线相当于电子由L层过渡到K层，K线相当于电子由M层过渡到K层。当然K线比K线频率 要高，波长较短。整个K系X射线波长最短。结构分析时所采用的就是K系X射线。三、X射线与物质的相互作用 X射线与物质相互作用时，会产生各种不同的和复杂的过程。但就其能量转换而言，一束X射线通过物质时，它的能量可分为三部分：其中一部分被散射，一部分被吸收，一部分透过物质继续沿原来的方向传播。透过物质后的射线束由于散射和吸收的影响强度被衰减。X射线与物质作用除散射、吸收和通过物质外，几乎不发生折射，一般情况下也不发生反射。当入射 X 光子与物质中的某些电子（例如内层电子）发生碰撞时，由于这些电子受到原子的强力束缚，光子的能量不足以使电子脱离所在能级的情况下，此种碰撞可以近似地看成是刚体间的弹性碰撞，其结果仅使光子的前进方向发生改变，即发生了散射，但光子的能量并未损耗，即散射线的波长等于入射线的波长。此时各散射线之间将相互发生干涉，故成为相干散射。相干散射是引起晶体产生衍射线的根源。相干散射或称古典散射X射线的吸收n n 物质对X射线的吸收是指X射线能量在通过物质时转变为其它形式的能量。对X射线而言，即发生了能量损耗。有时把X射线的这种能量损耗称为吸收。物质对X射线的吸收主要是由原子内部的电子跃迁引起的。在这个过程中发生X射线的光电效应和俄歇效应，使X射线的部分能量转变成为光电子、荧光X射线及俄歇电子的能量。此外入射X射线的能量还消耗于产生热量。因此，X射线的强度被衰减。四、X-射线衍射分析原理布拉格方程：布拉格方程：n=2dsin 波长为 的入射束分别照射到处于相邻晶面的原子上，晶面间距为d，在与入射角相等的反射方向上产生其散射线。当光程差等于波长的整数倍 n 时，光线就可以出现干涉加强，即发生衍射。衍射线的方向恰好等于原子面对入射线的反射，所以才借助镜面反射规律来描述 X 射线的衍射几何。必须注意，X 射线的原子面反射和可见光的镜面反射不同。一束可见光以任一角度透射到镜面上都可以发生反射，而原子面对 X 射线的反射不是任意的，只有当 ，和 d 三者之间满足布拉格方程时才能发生反射，所以将 X 射线的这种反射成为选择反射。五、X-射线衍射分析应用物相分析物相分析 定性分析定性分析定量分析定量分析单一物相的鉴定或验证单一物相的鉴定或验证混合物相的鉴定混合物相的鉴定晶体结构分析晶体结构分析点阵常数（晶胞参数）测定点阵常数（晶胞参数）测定晶体对称性（空间群）的测定晶体对称性（空间群）的测定等效点系的测定等效点系的测定晶体定向晶体定向晶粒度测定晶粒度测定宏观应力分析宏观应力分析物相分析物相分析 确定物质（材料）由哪些相组成（即物相定性分析或称物相鉴定）确定各组成相的含量（常以体积分数或质量分数表示，即物相定量分析）。1.（1）物相定性分析）物相定性分析n n基本原理与方法n n物质的X射线衍射花样特征：分析物质相组成的“指纹脚印”。n n制备各种标准单相物质的衍射花样并使之规范化，将待分析物质(样品)的衍射花样与之对照，从而确定物质的组成相。PDF卡片n n各种已知物相衍射花样的规范化工作于各种已知物相衍射花样的规范化工作于19381938年由年由哈那瓦特哈那瓦特(J.D.(J.D.HanawaltHanawalt)开创。开创。n n他的主要工作是将物相的衍射花样特征他的主要工作是将物相的衍射花样特征(位置与强位置与强度度)用用d d(晶面间距晶面间距)和和I I(衍射线相对强度衍射线相对强度)数据组表数据组表达并制成相应的物相衍射数据卡片。达并制成相应的物相衍射数据卡片。n n卡片最初由卡片最初由“美国材料试验学会美国材料试验学会(ASTM)”(ASTM)”出版，出版，称称ASTMASTM卡片。卡片。n n19691969年成立了国际性组织年成立了国际性组织“粉末衍射标准联合会粉末衍射标准联合会(JCPDS)”(JCPDS)”，由它负责编辑出版由它负责编辑出版“粉末衍射卡片粉末衍射卡片”，称，称PDFPDF卡片。卡片。物相定性分析的基本步骤物相定性分析的基本步骤n n（1）制备待分析物质样品；n n（2）用衍射仪法或照相法获得样品衍射花样；n n（3）检索PDF卡片；n n（4）核对PDF卡片与物相判定。常用测量方法n n1.常规连续扫描n n2.常规步进扫描n n3.积累步进扫描n n4.跳跃步进扫描n n5.分段步进扫描注意事项n n1.1.千万不能被射线照射到千万不能被射线照射到.n n2.2.我们用的是小角度掠入射测量我们用的是小角度掠入射测量.（小于小于3 3度）度）n n3.3.对于薄膜样品，特别要注意其厚度。由于对于薄膜样品，特别要注意其厚度。由于 X X 射线射线的穿透能力很强，一般在几百微米的数量级，所以适的穿透能力很强，一般在几百微米的数量级，所以适合于比较厚的薄膜样品的分析。薄膜比较平整以及表合于比较厚的薄膜样品的分析。薄膜比较平整以及表面粗糙度要小，这样获得结果才具有代表性。面粗糙度要小，这样获得结果才具有代表性。n n4.4.晶粒大小的计算：晶粒大小的计算：ScherrerScherrer 公式公式 :d=/d=/coscos 其中半波宽其中半波宽 不是测量出的峰位半波宽而应该是测量不是测量出的峰位半波宽而应该是测量线形减去仪器线形得到的实际物理线形。单位是弧度。线形减去仪器线形得到的实际物理线形。单位是弧度。此公式适用范围为此公式适用范围为 5-300 nm.5-300 nm.