X射线衍射分析及其应用

X射线衍射分析及其应用20182018年11月9日2目录CONTENTS1234衍射谱图的分析XRD在新能源方向的应用XRD测残余应力XRD测择优取向56XRD的应用衍射谱图的认识1、衍射谱图的认识1、衍射谱图的认识1、物质结构状态与衍射图谱自然界中物质常见的结构状态包括：（1）原子完全无序（2）原子近程有序但远程无序（非晶）（3）原子近程有序和远程有序（理想晶体）（4）实际晶体2、晶体的衍射谱线(1)衍射峰位衍射峰位角2θ是反映衍射方向的问题，主要与辐射波长、晶格类型、晶胞大小及形状有关。遵循Bragg方程：ndsin2（2）衍射强度衍射积分强度，是X射线受晶体中众多电子散射后的干涉和叠加结果。原子在晶胞中位置及原子种类则决定了衍射强度。但是由于物质的晶体不完整性，必然会影响X射线空间干涉强度分布，在稍偏离布拉格方向上也出现衍射，造成X射线衍射峰形状的改变，例如导致衍射峰宽化和峰值强度降低2、衍射谱图的分析峰位面间距d→定性分析点阵参数d漂移→残余应力固溶体分析半高宽结晶性微晶尺寸晶格点阵非晶质的积分强度结晶质的积分强度定量分析结晶化度角度（2θ）强度样品方位与强度变化:单晶定向；多晶择优取向3、XRD的应用1、物相定性11、织构2、物相定量12、残余应力3、结晶化度13、未知物相指标化4、晶胞参数精密化14、晶体缺陷5、择优生长15、微观应变6、纳米晶粒尺寸16、颗粒尺寸分布7、介孔分布与孔径………………………8、薄膜物相、缺陷、厚度9、固溶类别和固溶度10、未知物相晶体结构解析4、XRD在新能源方向的应用例1：层状SnSe0.5S0.5作为高性能锂/钠离子电池负极材料作者通过多元醇法，将硫族中的S，Se两种元素与Sn完美结合，合成出具有典型层状结构SnSe0.5S0.5纳米合金，并利用水热反应制备出SnSe0.5S0.5/C复合材料。该材料作为锂/钠离子电池的负极表现出高的比容量及优异的循环性能（锂电在0.5A/g下，循环1000圈保持625mAhg-1；钠电在0.2A/g下，循环100圈保持430mAhg-1）Fig1SnSe0.5S0.5/C复合材料的XRD图QimingTang,YanhuiCui.TernaryTinSeleniumSulfide(SnSe0.5S0.5)NanoAlloyastheHigh-PerformanceAnodesforLithium-IonandSodium-IonBatteries[J].NanoEnergy.41(2017)377–386.例2：无定形硅烷封端聚醚3D结构聚合物电解质聚氧化乙烯（PEO）是研究较早且广泛的聚合物电解质，具有诸多优点。但是，PEO-PE的锂离子电导率低和电化学稳定窗口窄等问题大大限制了其应用前景。作者通过硅烷封端聚醚（MSTP）单体聚合，引入四乙二醇二甲醚（TEGDME），制备了一种具有交联网状结构的无定形硅烷封端聚醚聚合物电解质（MSTP-PE），提高了离子电导率并改善了电极的界面兼容性。Fig2PEO-PE和MSTP-PE的XRD比较ZhiyuanLin,HaijunYu.Amorphousmodifiedsilyl-terminated3Dpolymerelectrolyteforhigh-performancelithiummetalbattery[J].NanoEnergy.41(2017)646–653.例3：CsPbI3·xEDAPbI4薄膜的结构表征作者采用碘化铅与氢碘酸的配体PbI2.xHI来代替传统的PbI2同时，通过创造性的引入乙二胺铅碘这一基于双胺阳离子二维钙钛矿组分构筑二维-三维混合钙钛矿，从而调整全无机铯铅碘钙钛矿的晶粒大小，稳定其钙钛矿晶相，并实现了良好的电子传输，这是目前溶液法制备铯铅碘钙钛矿太阳能电池的最高效率。特别是该方法制备的钙钛矿薄膜的相稳定性得到极大提升，在室温下钙钛矿相可以稳定数月，并且在100°C下也可以稳定保持该钙钛矿相。Fig3-1CsPbI3·xEDAPbI4钙钛矿XRD图谱Fig3-2CsPbI3·0.025EDAPbI4薄膜在干空气中100oC下保持一周的XRDTaiyangZhang,M.IbrahimDar.Bicationleadiodide2Dperovskitecomponenttostabilizeinorganica-CsPbI3perovskitephaseforhigh-efficiencysolarcells[J].ScienceAdvances.(2017)46–65.例4：“稳定过渡相薄膜”制备CsPbIBr2钙钛矿薄膜作者开发了一种通过“稳定过渡相薄膜”制备高致密、高溴含量的CsPbIBr2无机钙钛矿薄膜，薄膜经氮气环境中高温退火后表现出低功函的n型半导体材料特性，将其作为阴极缓冲层能够有效的降低肖特基势垒、接触电阻和界面缺陷，进而器件效率也由1.3%提升至5.52%。此外，该结构的全无机钙钛矿太阳电池表现出优异的热稳定性。Fig4CsPbIBr2钙钛矿薄膜XRD谱图ChongLiu,WenzheLi.Ultra-ThinMoOxasCathodeBufferLayerfortheImprovementofAll-InorganicCsPbIBr2PerovskiteSolarCells[J].NanoEnergy.15(2017)126–135.Fig5GeAgxSbxSe1+2x样品的XRD图谱ZhiweiHuang,SamuelMiller.HighthermoelectricperformanceofnewrhombohedralphaseofGeSestabilizedviaalloyingwithAgSbSe2[J].AngewChem.19(2017)78–105.例5：GeAgxSbxSe1+2x样品晶型转变5、XRD测残余应力测定原理：残余应力晶格畸变晶面间距变化XRD衍射峰位置发生偏移测量衍射峰偏移的多少计算残余应力的大小ndsin2Δθ定性判断定量测定Fig6不同脉冲次数HCPEB处理前后纯镍的XRD图6、XRD测择优取向作者利用简单的溶剂热-浸渍法制备出了Ce-Ni修饰六方八面体赤铁矿(FC-2)，相比对照的α-Fe2O3。Fig7FC-2和Fe2O3的XRD谱图TaiwoOdedairo,XuechengYan.HexagonalSphericonHematitewithHighPerformanceforWaterOxidation[J].AdvanceedMaterials.30(2017)2–6.