XRD在纳米材料上的应用.doc

XRD在镍包覆纳米二氧化钛实验中的应用 应用化学 陈阳 1282080033摘 要 本文主要采用化学镀的方法在纳米二氧化钛表面包覆一层镍。通过溶胶-凝胶的方法制备出二氧化钛纳米粒子，用X射线衍射仪检测分析二氧化钛的锐钛矿型和金红石型含量。用X射线衍射仪检测分析包覆后的二氧化钛的组成。 在二氧化钛包覆镍的过程中对二氧化钛活化采用不同的方法，用X射线衍射仪分别检测分析包覆效果并进行比较分析。 关键词：二氧化钛；包覆 ；镍；X射线衍射 1 概述 X射线衍射分析（XRD）在纳米材料研究中的应用 X射线衍射分析较常用于物相的定向和定量分析以及晶粒度、介孔结构等的测定1.1 XRD定性分析原理及应用 XRD定性分析是利用XRD衍射角位置以及强度来鉴定未知样品的物相组成。各衍射峰的角度及其相对强度是由物质本身的内部结构决定的。每种物质都有其特定的晶体结构和晶胞尺寸，而这些又都与衍射角和衍射强度又着对应对应关系。因此，可以根据衍射数据来鉴别晶体结构。通过将未知物相的衍射花样与已知物相衍射花样相比较，可以逐一鉴定出样品中的各种物相。目前可以利用粉末衍射卡片进行直接比对，也可以通过计算机数据库直接进行检索。 1.2 XRD定量分析原理及应用 XRD定量分析是利用衍射线的强度来确定物相含量的。每一种物相都有各自的特征衍射线，而衍射线的强度与物相的质量分数成正比。各物相衍射线的强度随该相含量的增加而增加。目前对于XRD物相定量分析最常用的方法主要有单线条法、直接比较法、内标法、增量法以及无标法。 1.3 XRD测定晶粒度 XRD测定晶粒度是基于衍射线的宽度与材料晶粒大小有关这一现象。对于TiO2纳米粉体，其主要衍射峰2θ为21.5°，可指标化为(101)晶面图（1.1）。当采用铜靶作为衍射源，波长为0.154nm，衍射角的2θ为25.30°，测量获得的半高宽为0.375°，一般Scherrer常数取0.89.根据Scherrer公式，可以计算获得晶粒的尺寸 此外，根据晶粒大小，还可以计算纳米粉体的比表面积。 图 1.1 1.4 小角X射线衍射 在纳米多层膜材料中，两薄膜层材料反复重叠，形成调制界面。当X射线入射时，周期良好的调制界面会与平行薄膜表面的晶面一样，在满足Bragg条件时，产生相干衍射，形成明锐的衍射峰。由于多层膜的调制周期比金属和化合物的最大晶面间距大得多，所以只有小周期多层膜调制界面产生的XRD衍射峰可以再小角度衍射时观察到，而大周期多层膜调制界面XRD衍射峰则因其衍射角度更小而无法进行观测。因此，对制备良好的小周期纳米多层膜可以用小角度XRD方法测定其调幅周期。 图1-2为纳米TiN/AlN薄膜样品的XRD谱[1] 途中结果表明，对于S2样品在2θ=4.43°时出现明锐的衍射峰，根据Bragg方程，课计算出其对应的调制周期为1.99nm；而对于3.5样品2θ=2.66°，调制周期为3.31nm;分别与其设计周期2nm和3.5nm近似相等。 同样，XRD的小角衍射还可以用来研究纳米介孔材料的介孔结构。由于介孔材料可以形成很规整的孔，可以看作为多层结构。因此，也可以用XRD的小角衍射来通过测定孔壁之间的距离来获得介孔的直径。这是目前测定纳米介孔材料结构最有效的方法之一。该方法的局限是对孔排列不规整的介孔材料，不能获得其孔径大小的结果。 图 1.2 TiN/AlN纳米多层膜的XRD小角衍射 1.5 薄膜厚度和界面结构的测定[2] 随着纳米材料的高速发展，纳米薄膜的研究也变得越来越重要。利用XRD研究薄膜的厚度以及界面结构也是XRD发展的一个重要方向。通过二维XRD衍射还可以获得物相的纵向深度剖析结果，也可以获得界面物相分布结果。图1-3是在单晶硅片上制备的50nm厚的Au薄膜样品的XRD深度剖析图。从图上不仅可以了解物相组成，物相随深度的分布，还可以得到晶面取向的信息。 图 1.3 XRD研究Au/Sr薄膜材料厚度分度图 1.6 物质状态的鉴别 不同的物质状态对X射线的衍射作用是不同的，因此可以利用X射线谱来区别晶态和非晶态。图1-4为不同物质状态的X射线衍射谱图。一般非晶态物质的XRD谱为一条直线，平时所遇到的在低2θ角出现的漫散型峰的XRD一般是由液体型固体和气体型固体所构成。晶体物质又可以分为微晶和晶态。微晶具有晶体的特征，但由于晶粒小会产生衍射峰的宽化弥散，而结晶好的晶态物质会产生尖锐的衍射峰。 图 1.4不同物质状态以及相应的XRD示意图 2 XRD在纳米二氧化钛表面包覆镍实验中的应用 本工作采用日本理学Dm/xa2500型X射线衍射仪对进行分析， K——Scherrer常数，一般取0.89； ——射线波长； ——衍射峰的半高宽； ——布拉格衍射角。 纳米