3_XRD_分析方法幻灯片.ppt

材料分析测试方法 屈树新 西南交通大学 材料先进技术教育部重点实验室 材料科学与工程学院 分析测试中心 复习题 复习晶体结构的有关知识（固体物理，第一章）。 预习X射线衍射（XRD）的原理。 结合本专业查阅文献体会如何根据理论设计、制备新材料。 物质的结构分析 进行物质结构分析方法主要有3大类 各种衍射技术 直接和精确测定分子和晶体结构的方法 各种光谱技术 红外光谱、激光拉曼光谱、紫外光 在各种状态测定结构，如液体 分子模拟、量子力学计算 现代分析测试 材料的结构分析 衍射方法 X射线衍射 （X-Ray Diffraction， XRD） 粉末衍射 微区、薄膜 高温、常温、低温衍射仪 四园单晶衍射 电子衍射（Transmission Electron Microscopy， TEM） 中子衍射 穆斯堡谱 Γ射线衍射 物质的结构分析 测定物质结构的本质 XRD分析方法 X-射线物理学基础 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 XRD图谱的物相鉴定 X射线物理学基础 X射线的产生 德国科学家伦琴，1895年 使相片底片感光，并有很强的穿透力 X射线的应用 科学研究 (XRD) 医疗（透视） 技术工程 (无损探伤) 衍射分析技术的发展 与X射线及晶体衍射有关的部分诺贝尔奖获得者名单 X射线物理学基础 X射线的本质 电磁波，波长较短，一般在0.05－0.25nm; 劳厄，1914年，晶体衍射实验； X射线具有波粒二相性 衍射：可见光 一定能量的光量子流 h:普朗克常数＝6.626－34J?S E:能量； P：动量 X射线物理学基础 X射线物理学基础 X射线的产生 原子内的电子分布在一系列量子化的壳层上，按K、L、M、N……递增； 最内层的能量最低 某层电子的能量 当冲向阳极靶的电子具有足够能量将内层电子击出成为自由电子（二次电子）； 原子：高能的不稳定 自发向稳态过渡： X射线物理学基础 X射线的产生 K层出现空位， K激发态； L层跃迁至K层， L激发态； ΔE=EL-EK, 能量差以X射线光量子的形式辐射出来；Kα L层有能量差别很小的亚能级， Kα1、 Kα2 特征X射线 X射线物理学基础 X射线物理学基础 物质的结构分析 测定物质结构的本质 多晶粉末衍射分析 multiple crystal powder diffraction analysis X射线衍射方程 晶体的点阵结构是一致互相平行且等距离的原子平面 衍射的基础——晶体的周期性和对称性 衍射光束服从反射定律 反射光线在入射平面中，反射角等于入射角 则这组晶面所反射的X射线，只有当其光程差是X射线波长的整数倍时才相互增强，出现衍射 2dhklsinθ＝nλ 布拉格方程的讨论 反射≠衍射 镜面可以任意角度反射可见光 X射线只有满足布拉格方程的?角上才能发生反射，因此，这种反射亦成为选择反射。 晶面间距d,掠射角?，反射级数n,和X射线的波长λ四个量，已知三个量，就可以求出其余一个量。 布拉格方程的讨论 (100)晶面发生二级衍射 2d100sinθ＝2λ 假设在每两个（100） 中间均插一个原子分 布与之完全相同的面， 晶面指数（200） （200）的面间距是d/2 2d100sinθ＝ 2×(2d200)sinθ=2λ 2d200sinθ＝λ (hkl )的n级衍射可看作(nh nk nl)的一级衍射 布拉格方程的讨论 sin?＝λ/(2d) λ一定时，d减小，?将增大； 面间距小的晶面，其掠射角必须较大 掠射角的极限范围为0°-90°，但过大或过小都会造成衍射的探测困难 应用 已知波长的X射线，测量未知的晶体的面间距，进而算出其晶胞参数 结构分析（XRD） 已知? ，测?角，计算d；根据标准卡片，判断其物相（晶体结构） 根据d=f(h,k,l,a,b,c,α,β,γ,)可计算晶胞参数 已知面间距的晶体来反射从样品发射出来的X射线，求得X射线的波长，确定试样的组成元素 X射线能量色散谱仪(EDS,EDAX) 已知d 的晶体（单晶硅），测?角，得到特征辐射波长? ，确定元素，特征X射线分析的基础 X射线衍射 (单晶或多晶)晶体与x射线所产生的衍射作用 衍射斑点或谱图 分析晶体结构 确定晶体所属的晶系（物相鉴定）、晶体的晶胞参数、晶粒尺寸的大小、结晶度、薄膜的厚度和应力分布等 X射线衍射 实际的衍射谱上并非只在符合Bragg方程的2?处出现强度，在2 ?的附近也有一定的衍射强度分布，成峰状，也叫衍射峰。 符合Bragg方程的2?处为峰顶。 可以根据峰的位置、数目和强度得到试样的结构信息。 X射线衍射可以得到的信息 物相鉴定 定性 定量 晶胞参数的确定 晶面的择优取向生长 结