纳米材料-北京电子能谱中心.PDF

朱永法和王如骥 第四章 纳米材料的结构分析 第1页 第四章 纳米材料的结构分析 4.1 前言 不仅纳米材料的成份和形貌对其性能有重要影响，纳米材料的物相结构和晶体结构 对材料的性能也有着重要的作用。因此，对纳米材料的物相结构分析也是材料分析的重 要内容之一。物相分析与一般的元素分析有所不同，它在测定了各种元素在样品中的含 量的基础上，还要进一步确定各种晶态组分的结构和含量。例如：石英的化学成分是 SiO ，它既可以是非晶态的石英玻璃，也可以是晶态的石英晶体。同样是石英晶体，还 2 可能有六种不同的晶体结构(三斜相、单斜相、正交相、四方相、六方相和立方相) 。目 前，常用的物相分析方法有X 射线衍射分析、激光拉曼分析以及微区电子衍射分析。 4.2 X 射线衍射结构分析 XRD (X-Ray Diffraction) 物相分析是基于多晶样品对X 射线的衍射效应，对样品 中各组分的存在形态进行分析测定的方法。测定的内容包括各组分的结晶情况，所属的 晶相，晶体的结构，各种元素在晶体中的价态，成键状态等等。物相分析与一般的元素 分析有所不同，它在测定了各种元素在样品中的含量的基础上，还要进一步确定各种晶 态组分的结构和含量。例如：石英的化学成分是SiO2 ，它既可以是非晶态的石英玻璃， 也可以是晶态的石英晶体。同样是石英晶体，还可能有六种不同的晶体结构(三斜相、 单斜相、正交相、四方相、六方相和立方相) 。通过XRD 物相分析可以测定样品中各种 不同的石英晶相的含量。另外，当待测样品中同时含有氯化钾和硫酸钠时，一般的分析 + + - 2- 方法只能测定样品中Na , K , Cl 和SO4 的含量，而XRD 物相分析则可以分别测定氯化 钾和硫酸钠在样品中的含量。当然，XRD 物相分析也有其不足之处，首先是灵敏度较 低，一般只能测定样品中含量在 1%以上的物相，同时，定量测定的准确度也不高，一 般在1%的数量级。另外，进行XRD 物相分析所需要的样品量较大，一般需要几十至几 百毫克的样品，才能得到比较准确的结果。当然，由于非晶态的样品不会对X 射线产生 衍射，所以一般不能用此法对非晶样品进行分析。 朱永法和王如骥 第四章 纳米材料的结构分析 第2页 4.2.1 X射线衍射分析基础 1.X衍射分析历史 〔1〕 1894年，德国物理学家伦琴发现了具有特别强的穿透力的新型的X射线。1912年 德国物理学家劳厄发现了X射线通过晶体时产生衍射现象，证明了X射线的波动性和晶 体内部结构的周期性。1912年，小布拉格( WL．Bragg)提出了著名的布拉格方程： nX=Zdsinθ，成功地解释了劳厄的实验事实以及清楚地解释 了X射线晶体衍射形成。 这一结果为X射线分析晶体结构提供了理论基础。1913年老布拉格设计出第一台 X射 线分光计，并发现了特征X射线。小布拉格利用特征X射线分析了一些碱金属卤化物以 及金刚石的晶体结构。X射线衍射用于分析晶体结构的有效性，使其开始为物理学家和 化学家普遍接受。X射线被广泛应用于晶体结构的分析等领域，对于促进20世纪的物理 学以至整个科学技术的发展产生了巨大而深远的影响。同样，X射线分析在纳米材料的 研究上也具有重要的应用前景。 2.X射线的产生 X射线是一种波长很短的电磁波，波长范围是0.05～0.25nm，具有很强的穿透力。 在实际应用中，X射线通常是利用一种类似热阴极二极管装置获得的。 X射线管由阳极 靶和阴极灯丝组成，两者之间加有高电压，并置于玻璃金属管壳内。当高速运动的热电 子碰撞到阳极靶上突然动能消失时，电子动能将转化成X射线，一般仅有1%的能量转换 为X射线。常用的阳极靶的材料有：Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Mo、Ag、W等高熔点金属。 对于一些需要大功率X射线的装置，一般采用旋转阳极靶，功率可以达到几十千瓦。 3.X射线谱 由X射线装置发射出来的X射线一般由连续谱X射线（白色X射线）和特征谱X射 线组成。连续波X射线是由高速电子与阳极靶的原子碰撞时，电子失去动能所发射出的 光子所形成的。 特征X射线的产生机理与阳极物质的原子内部结构是紧密相关的，可以用量子理论 进行解释。