XRD的应用

X-射线衍射分析（XRD）专业：物理电子学制作人：于倩X射线衍射（X-RayDiffraction，XRD）X射线衍射XRD的原理：晶体可作为X射线的空间衍射光栅,当一束X射线通过晶体时将发生衍射，衍射波叠加使射线的强度在某些方向上加强，在其他方向上减弱。分析在照相底片上得到的衍射花样，可确定晶体结构。X射线衍射技术主要应用：样品的物相定性或定量分析，晶体结构分析，材料的织构分析，宏观应力或微观应力的测定，晶粒大小测定，结晶度测定等。X衍射的主要实验方法：劳厄法旋转晶体法粉末法劳埃法也称固定单晶法。用连续X射线谱作为入射光源，单晶固定不动，入射线与各衍射面的夹角也固定不动，靠衍射面选择不同波长的X射线来满足布拉格方程。产生的衍射线表示了各衍射面的方位，因此，劳厄法能够反映晶体的取向和对称性，但劳厄法不宜来确定晶格常数。X衍射的主要实验方法：劳厄法旋转晶体法粉末法旋转单晶法是用单色X射线照射单晶体，并且使晶体不断地旋转。即固定X射线的波长，不断改变θ角，使某些面网在一定的角度时，能满足布拉格方程，而产生衍射。旋转晶体法主要用于研究晶体结构，通常用旋转单晶法决定基矢和原胞。X衍射的主要实验方法：劳厄法旋转晶体法粉末法粉末法是通过单色X射线照射多晶体样品，入射X射线波长固定。通过无数取向不同的晶粒来获得满足布拉格方程的θ角。粉末法是X射线衍射分析中最常用的方法。主要用于物相分析，点阵参数的测定等。X射线衍射技术应用：X射线衍射技术应用精密测定点阵参数物相分析取向分析晶粒大小的测定结晶度的测定宏观应力的测定物相分析——根据晶体对X射线的衍射特征－衍射线的位置、强度及数量来鉴定结晶物质之物相的方法，就是X射线物相分析法。物相分析：定量分析定性分析把对材料测得的点阵平面间距及衍射强度与标准物相的衍射数据相比较，确定材料中存在的物相。是基于待测物相的衍射峰强度与其含量成正比。根据衍射花样的强度，确定材料中各相的含量。X射线衍射术(XRD)可用于物质的相分析，即用于判别样品的晶体结构，晶体的完善性，晶态或是非晶态等等，从而鉴别样品是由哪些物相组成以及各个物相的含量，分为物相定性、定量分析。物相分析的工作程序：实验得到待定样品衍射图，求出各衍射峰对应的面间距d，然后结合各峰相对强度Ii/I0及试样结构已知信息等，在汇编标准（PDF卡）中用d-Ii/I0，对照检索，定识物相。实验得到样品的衍射图，然后将之与已知物相在相同实验条件下的衍射图直接比较，根据峰位，相对强度，样品结构已知信息等判别待定物相。物相半定量分析方法是一种介于定量和定性之间的一种科学方法，主要是应用X’PertHighscorePlus等软件对样品中的物相组成进行大体的分析，快速得出其大致含量。图：多相混合TiO2的X射线衍射图谱及半定量分析结论：通过X’PertHighscorePlus物相半定量分析可知，该粉末样品（成分为TiO2）主要由锐钛矿相和金红石相组成，两相含量分别约76%、24%。精密测定点阵参数——点阵常数是晶体物质的基本结构参数。点阵常数的测定是通过X射线衍射线的位置（θ）的测定而获得的。精密测定点阵参数：确定点阵参数的主要方法是多晶X射线衍射法。X射线衍射法测定点阵参数是利用精确测得的晶体衍射线峰位2θ角数据，然后根据布拉格定律和点阵参数与晶面间距d值之间的关系式计算点阵参数的值。可用于研究物质的热膨胀系数、固溶体类型及含量、固相溶解度曲线、宏观应力、化学热处理层的分析、过饱和固溶体分解过程等。点阵参数精确测定的应用：精密测定点阵参数：用于相图的固态溶解度曲线的测定:溶解度的变化会引起点阵常数的变化。当达到溶解限后，溶质的继续增加引起新相的析出，不再引起点阵常数的变化。这个转折点为溶解限。精密测定点阵参数：Ni-doped-Fe2O3[n(Ni)/n(Fe)=5%]Counts203040506070802/undoped-Fe2O3Ni-doped-Fe2O3[n(Ni)/n(Fe)=10%]0123456789105.025.035.045.055.06Crystalcellparameteraorb/ÅNi-dopedratio/%01234567891013.7613.7713.78Ni-dopedratio/%Crystalcellparameterc/ÅNi掺杂α-Fe2O3样品的X射线衍射图谱及晶胞参数计算结论：上图为利用X’PertHighscorePlus软件计算所得Ni掺杂α-Fe2O3样品的晶胞参数，由于Ni2+半径小于Fe3+，当Ni2+进入α-Fe2O3晶格中取代Fe3+，导致一定的晶格畸变，使金属-氧键变长，晶胞参数增大。No.N(Ni)/n(Fe)a/Åb/Åc/Å105.01905.019013.763520.055.03805.038013.772030.105.05365.053613.7816宏观应力的测定——宏观应力的存在使部件内部的晶面间距发生改变,所以可以借助X射线衍射方法来测定材料部件中的应力。宏观应力的测定：按照布拉格定律可知：在一定波长辐射发生衍射的条件下，晶面间距的变化导致衍射角的变化，测定衍射角的变化即可算出宏观应变，因而可进一步计算得到应力大小。X射线衍射法来测定试样中宏观应力的优点:(1)可以测量试样上小面积和极薄层内的宏观应力,如果与剥层方法相结合,还可测量宏观应力在不同深度上的梯度变化;(2)不用破坏试样即可测量;(3)测量结果可靠性高；宏观应力的测定：聚晶金刚石复合片(polycrystallinediamondcompacts,简称:PDC)在聚晶金刚石层内存在着宏观应力和微观应力，PDC表面应力大小可以反映聚晶金刚石层的应力存在状况，PDC残余应力的大小与XRD图谱的斜率成正比，因此XRD方法可以用于金晶金刚石复合片应力的表征。图：聚晶金刚石复合片图：平面连接，简单槽齿连接的PDC宏观应力的测定：不同工艺过程的XRD图不同齿型的XRD图•XRD衍射图的低角度区谱线成斜线，不同的制备过程，内部的残余应力不同，残余应力的大小顺序：CBA.•随着PDC残余应力的不同，斜率也在变化，斜率的大小与表面应力的大小成正比。晶粒尺寸大小的测定——材料中晶粒尺寸小于10nm时，将导致多晶衍射实验的衍射峰显著增宽。故根据衍射峰的增宽可以测定其晶粒尺寸。晶粒尺寸大小的测定：在不考虑晶体点阵畸变的影响条件下，无应力微晶尺寸可以由谢乐(Scherrer)公式计算：coskDD：晶粒尺寸（nm）：衍射角：衍射峰的半高宽，在计算的过程中，需转化为弧度（rad）：单色入射X射线波长K：为Scherrer常数当B为峰的半高宽时k=0.89当B为峰的积分宽度时k=0.9430405060700200040006000800010000120001400098765423Counts2/1No.d/Åhkl2θ/°Bobs/°D/nm12.816510031.7720.2274622.604600234.4340.1955732.478010136.2530.2274741.913110247.5280.2274951.626711056.5810.264261.478510362.8590.264471.378920067.9220.2385081.377811268.1770.1588891.359320169.0380.31736平均值————51ZnO纳米颗粒样品的X射线衍射图谱及晶粒尺寸计算结论：X’PertPRO型X射线衍射仪的仪器宽化值Bstd约为0.05°；将ZnO颗粒看作近似球形计算其晶粒尺寸约为51nm。取向分析——测定单晶取向和多晶的结构（择优取向）。测定硅钢片的取向就是一例。另外，为研究金属的范性形变过程，如孪生、滑移、滑移面的转动等，也与取向的测定有关。取向分析：择优取向度F参数的计算：以计算一般的晶面如(hk1)的F因子为例，需计算出与该晶面方向平行的所有晶面的强度之和。式中，I和I*分别表示无规则和有织构时样品任一晶面（hkl）衍射强度值。结晶度的测定——结晶性高聚物中晶体部分所占的百分比叫做结晶度。是一种重要的工艺指标。低分子晶体，由于完全结晶，没有结晶度问题。高分子晶体，由于长的链状结构不易完全整规排列，往往导致非完全结晶。两态分明体系的衍射图由两部分简单叠加而成。一部分是晶态产生的衍射峰，另一部分非晶态产生的弥散隆峰。理论上推导得出如下质量的结晶度公式：cccaIXIkI式中Xc——质量结晶度；Ic——晶体部分的衍射强度；Ia——非晶体部分的衍射强度；k——单位质量非结晶态与单位质量晶态的相对衍射线系数，称总校正因子，理论上k≈1。结晶度的测定：XRD其他方面的应用：液态金属和非晶态金属：研究非晶态、液态金属结构，如测定近程序参量、配位数等。结构分析：对新发现的合金相进行测定，确定点阵类型、点阵参数、对称性、原子位置等晶体学数据。对晶体结构不完整性的研究包括对层错、位错、原子静态或动态地偏离平衡位置，短程有序，原子偏聚等方面的研究。XRD其他方面的应用：此外，小角度散射用于研究电子浓度不均匀区的形状和大小；X射线形貌术用于研究近完整晶体中的缺陷如位错线等。特殊状态下的分析：在高温、低温和瞬时的动态分析。合金相变包括脱溶、有序无序转变、母相新相的晶体学关系，等等。Thankyou!