《X射線多晶衍射法》課件

X射線多晶衍射法X射線多晶衍射法是一種重要的材料分析方法，它利用X射線照射晶體材料，通過(guò)分析衍射圖案來(lái)確定材料的晶體結(jié)構(gòu)、晶格參數(shù)、晶粒尺寸、應(yīng)力等信息。課程簡(jiǎn)介X射線多晶衍射一種重要的材料分析技術(shù)，基于X射線與晶體物質(zhì)相互作用的原理。晶體結(jié)構(gòu)分析通過(guò)分析衍射圖案，可以確定物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)、晶胞參數(shù)、晶粒尺寸等信息。材料科學(xué)應(yīng)用在材料科學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，例如材料的結(jié)構(gòu)分析、相變研究、應(yīng)力測(cè)量等。X射線的基本特性電磁輻射X射線是一種電磁輻射，具有波粒二象性，既具有波動(dòng)性又具有粒子性。X射線波長(zhǎng)范圍在0.01-10納米之間，能量范圍在100電子伏特到100千電子伏特之間。穿透性X射線具有很強(qiáng)的穿透能力，可以穿透大多數(shù)物質(zhì)，但穿透能力取決于物質(zhì)的密度和原子序數(shù)。X射線被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療診斷、工業(yè)檢測(cè)、材料分析等領(lǐng)域。電離作用X射線與物質(zhì)相互作用時(shí)，可以使物質(zhì)中的原子發(fā)生電離，產(chǎn)生自由電子和離子。電離作用是X射線引起生物效應(yīng)的主要原因，需要采取防護(hù)措施避免過(guò)度照射。衍射現(xiàn)象X射線照射晶體時(shí)，會(huì)發(fā)生衍射現(xiàn)象，衍射圖式可以用于分析晶體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。X射線衍射是材料科學(xué)和物理學(xué)中一種重要的分析方法。X射線衍射的原理1波長(zhǎng)相干X射線波長(zhǎng)與晶體間距相當(dāng)2相互作用X射線與晶體原子發(fā)生散射3相位疊加散射波相互干涉，形成衍射4衍射圖譜衍射強(qiáng)度隨角度變化，形成圖譜X射線衍射利用了X射線波長(zhǎng)與晶體原子間距相當(dāng)?shù)奶攸c(diǎn)，當(dāng)X射線照射到晶體時(shí)，會(huì)與晶體原子發(fā)生相互作用，產(chǎn)生散射波。由于晶體具有周期性結(jié)構(gòu)，散射波會(huì)相互干涉，形成衍射現(xiàn)象。衍射強(qiáng)度隨散射角變化，形成衍射圖譜。通過(guò)分析衍射圖譜，可以獲得晶體結(jié)構(gòu)信息，包括晶胞參數(shù)、晶系、空間群、原子坐標(biāo)等。布拉格衍射定律11.衍射條件當(dāng)入射X射線束與晶體中晶面間距d滿足布拉格方程時(shí)，發(fā)生衍射。22.衍射角衍射角2θ由入射角θ和晶面間距d決定，且與X射線波長(zhǎng)λ有關(guān)。33.應(yīng)用布拉格定律是X射線衍射分析的基礎(chǔ)，用于測(cè)定晶體結(jié)構(gòu)、晶胞參數(shù)等。Laue條件晶格矢量Laue條件是描述晶體結(jié)構(gòu)中X射線衍射發(fā)生的必要條件。反射面它指出當(dāng)入射X射線的波矢與反射面的法線之間的夾角滿足特定條件時(shí)，才能產(chǎn)生衍射現(xiàn)象。衍射強(qiáng)度Laue條件決定了衍射光束的強(qiáng)度和方向，是X射線衍射分析的基礎(chǔ)。晶體結(jié)構(gòu)與衍射圖式晶體結(jié)構(gòu)決定了X射線衍射圖式。每個(gè)晶體具有獨(dú)特的衍射圖式。不同的晶體結(jié)構(gòu)，衍射圖式各不相同。衍射圖式可用于識(shí)別晶體類型和晶體結(jié)構(gòu)。旦氏環(huán)法原理通過(guò)旋轉(zhuǎn)樣品，在樣品表面產(chǎn)生一個(gè)圓形區(qū)域。優(yōu)勢(shì)可以同時(shí)觀察多個(gè)衍射斑點(diǎn)，方便研究樣品結(jié)構(gòu)。應(yīng)用用于研究晶體結(jié)構(gòu)、晶粒大小、晶體取向等。缺點(diǎn)對(duì)樣品的形狀和尺寸有一定要求，操作相對(duì)復(fù)雜。粉末法粉末法概述粉末法廣泛應(yīng)用于多晶材料的結(jié)構(gòu)分析，是X射線衍射方法中最常用的一種方法。基本原理多晶體粉末中，晶粒的取向是隨機(jī)的，可以得到所有晶面族衍射線的完整信息。樣品要求樣品需呈粉末狀態(tài)，粒度均勻，且無(wú)明顯的擇優(yōu)取向。Debye-Scherrer法樣品制備樣品需要制成直徑約為0.5毫米的細(xì)絲或粉末狀，確保樣品均勻分布在X射線束中。儀器結(jié)構(gòu)采用聚焦型X射線管產(chǎn)生X射線，并使用狹縫和準(zhǔn)直器將X射線束聚焦到樣品上，形成細(xì)長(zhǎng)的X射線束。衍射圖譜通過(guò)接收器收集樣品散射的X射線，形成環(huán)形衍射圖譜，每個(gè)衍射環(huán)對(duì)應(yīng)一個(gè)晶面族。焦點(diǎn)聚焦法焦點(diǎn)聚焦法用于提高衍射信號(hào)強(qiáng)度，提升分析精度。通過(guò)聚焦X射線束，可以有效地將能量集中在樣品上，獲得更清晰的衍射圖樣。焦點(diǎn)聚焦法可用于分析各種材料，如金屬、陶瓷、聚合物和生物材料。該方法可用于測(cè)定材料的晶體結(jié)構(gòu)、相組成、晶粒大小和應(yīng)力等重要信息。反射法11.樣品表面X射線束入射到樣品表面，發(fā)生反射。22.衍射信號(hào)反射的X射線束被探測(cè)器接收，產(chǎn)生衍射信號(hào)。33.表面結(jié)構(gòu)分析衍射信號(hào)，可以得到樣品表面的晶體結(jié)構(gòu)信息。44.薄膜材料反射法特別適合分析薄膜材料的結(jié)構(gòu)和厚度。透射法透射電子顯微鏡使用高能電子束穿透樣品，獲得樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖像。薄樣品透射法需要樣品薄到電子束能穿透。晶體結(jié)構(gòu)透射法可以提供晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息。衍射圖樣電子束穿過(guò)晶體后，產(chǎn)生衍射圖樣。樣品的制備1粉末樣品粉末樣品需要研磨至細(xì)小顆粒，并確保顆粒大小均勻?？梢杂醚欣徎蚯蚰C(jī)進(jìn)行研磨。研磨時(shí)要注意避免樣品的污染。2塊狀樣品塊狀樣品需要切割成合適的形狀和大小。可以用切割機(jī)或鋸子進(jìn)行切割。切割時(shí)要注意避免樣品的變形或損壞。3薄膜樣品薄膜樣品需要制備成合適的厚度，并確保其表面平整?？梢允褂脼R射鍍膜、蒸鍍、或旋涂等方法制備薄膜樣品。樣品的固定樣品臺(tái)將樣品放置在衍射儀的樣品臺(tái)上，確保樣品表面平整且與X射線束垂直。固定裝置使用夾具、膠帶或其他固定裝置將樣品固定在樣品臺(tái)上，防止樣品在測(cè)試過(guò)程中移動(dòng)。對(duì)準(zhǔn)精確地對(duì)準(zhǔn)樣品，確保X射線束垂直照射到樣品表面。衍射儀的結(jié)構(gòu)X射線衍射儀主要由X射線發(fā)生器、樣品臺(tái)、衍射儀、探測(cè)器和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成。X射線發(fā)生器產(chǎn)生X射線束照射樣品。樣品臺(tái)用于放置樣品，并可以進(jìn)行旋轉(zhuǎn)或傾斜以改變樣品與X射線束的相對(duì)位置。衍射儀用于收集衍射的X射線束。探測(cè)器用于測(cè)量衍射X射線的強(qiáng)度。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)用于分析和處理衍射數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的采集與處理1數(shù)據(jù)采集X射線衍射儀2數(shù)據(jù)處理背景扣除、峰值擬合3晶胞參數(shù)測(cè)定衍射峰位置4相結(jié)構(gòu)分析衍射峰強(qiáng)度X射線多晶衍射數(shù)據(jù)采集通常使用X射線衍射儀。數(shù)據(jù)處理過(guò)程包括背景扣除、峰值擬合等步驟。通過(guò)分析衍射峰的位置和強(qiáng)度，可以確定晶胞參數(shù)、相結(jié)構(gòu)、晶粒大小、應(yīng)力等信息。相差計(jì)算相差計(jì)算是X射線多晶衍射法中一個(gè)重要的步驟，它用于確定不同晶體相之間的差異。相差計(jì)算通常使用Rietveld精修軟件進(jìn)行，該軟件使用最小二乘法擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論模型，以確定晶體結(jié)構(gòu)和相含量。相差計(jì)算結(jié)果可以幫助研究人員確定材料的結(jié)構(gòu)和組成，以及材料的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。晶胞參數(shù)測(cè)定晶胞參數(shù)測(cè)定是X射線多晶衍射法的重要應(yīng)用之一，可以精確地確定晶體結(jié)構(gòu)中的晶胞尺寸和形狀。晶胞參數(shù)測(cè)定需要利用布拉格衍射定律和衍射圖譜中的衍射峰位置信息，經(jīng)過(guò)復(fù)雜的計(jì)算過(guò)程才能得到。a晶胞邊長(zhǎng)晶胞邊長(zhǎng)是晶胞的基本參數(shù)之一。α晶胞角晶胞角是晶胞三個(gè)軸線之間的夾角。V晶胞體積晶胞體積由晶胞邊長(zhǎng)和晶胞角共同決定。相結(jié)構(gòu)分析相結(jié)構(gòu)分析相結(jié)構(gòu)分析是指通過(guò)對(duì)衍射數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定材料中各相的化學(xué)式、晶體結(jié)構(gòu)和含量等信息。主要依靠對(duì)衍射圖譜的峰位、峰強(qiáng)和峰形等進(jìn)行分析。應(yīng)用范圍相結(jié)構(gòu)分析在材料科學(xué)、化學(xué)、地質(zhì)學(xué)、生物學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，例如材料的成分分析、相變研究、材料的性能預(yù)測(cè)、地質(zhì)礦物的鑒定等。晶型分析多晶型多晶型指同一化學(xué)成分的物質(zhì)以不同的晶體結(jié)構(gòu)存在。晶型轉(zhuǎn)化多晶型在不同的條件下可以相互轉(zhuǎn)化，如溫度、壓力、溶劑等。藥物晶型藥物晶型會(huì)影響藥物的溶解度、穩(wěn)定性、生物利用度等。晶粒大小分析X射線衍射法可以分析材料的晶粒尺寸。通過(guò)測(cè)量衍射峰的寬度，可以計(jì)算出晶粒尺寸。方法原理應(yīng)用謝樂(lè)公式基于衍射峰寬度的變化納米材料的晶粒尺寸分析全譜分析利用衍射圖譜的整體信息多相材料的晶粒尺寸分布分析應(yīng)力分析應(yīng)力測(cè)量X射線應(yīng)力分析可通過(guò)衍射峰位置變化來(lái)測(cè)量材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力。應(yīng)變分析利用衍射峰位置的變化，可以計(jì)算出材料的應(yīng)變。裂紋分析X射線衍射能夠檢測(cè)出微觀裂紋，并分析其尺寸、分布和方向。相含量分析11.峰面積法根據(jù)各相的衍射峰面積，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的峰面積，計(jì)算各相的含量。22.內(nèi)標(biāo)法加入已知含量的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，通過(guò)比較標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和待測(cè)物質(zhì)的衍射峰強(qiáng)度，計(jì)算各相的含量。33.全譜擬合法利用全譜擬合軟件，對(duì)衍射圖譜進(jìn)行擬合，得到各相的含量。相變分析相變相變是指物質(zhì)在一定條件下（如溫度、壓力等）發(fā)生結(jié)構(gòu)變化的過(guò)程。例如，鐵在不同溫度下可以存在不同的晶體結(jié)構(gòu)：α-鐵、γ-鐵等。X射線衍射可以用來(lái)研究相變過(guò)程，例如可以確定相變發(fā)生的溫度、相變類型、相變機(jī)理等。應(yīng)用相變分析在材料科學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。例如，在材料科學(xué)中，可以通過(guò)相變分析來(lái)研究材料的性能，例如強(qiáng)度、硬度、韌性等。熱處理過(guò)程分析1相變過(guò)程XRD可分析不同溫度下的相變，例如淬火或退火。2晶粒尺寸變化通過(guò)峰寬變化，可評(píng)估熱處理對(duì)晶粒尺寸的影響。3殘余應(yīng)力XRD可測(cè)量熱處理引起的殘余應(yīng)力，例如在表面硬化過(guò)程中。4性能改善XRD有助于理解熱處理如何改善材料的強(qiáng)度、韌性或抗腐蝕性。磁性相分析磁性相磁性相是指具有磁性的物質(zhì)，它們?cè)诖艌?chǎng)中會(huì)表現(xiàn)出磁性。分析方法X射線衍射法可以用來(lái)分析材料的磁性相，通過(guò)對(duì)衍射圖譜進(jìn)行分析，可以確定磁性相的結(jié)構(gòu)、成分和含量。應(yīng)用領(lǐng)域磁性相分析在磁性材料、電子材料、催化材料等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。催化劑分析納米結(jié)構(gòu)催化劑通過(guò)XRD分析，可以研究催化劑的晶體結(jié)構(gòu)、顆粒尺寸、相組成等信息，從而了解其活性位點(diǎn)和催化性能的影響因素。催化反應(yīng)過(guò)程XRD可以幫助研究催化劑在反應(yīng)過(guò)程中的結(jié)構(gòu)變化，例如晶體結(jié)構(gòu)的改變、新相的形成以及催化劑的燒結(jié)等現(xiàn)象。催化劑表面分析XRD可以提供有關(guān)催化劑表面結(jié)構(gòu)、表面組成和表面狀態(tài)的信息，從而幫助理解催化劑的活性、選擇性和穩(wěn)定性。結(jié)構(gòu)缺陷分析點(diǎn)缺陷包括空位、間隙原子和雜質(zhì)原子等，會(huì)影響材料的機(jī)械性能和電學(xué)性能。線缺陷主要指位錯(cuò)，是晶體結(jié)構(gòu)中原子排列的局部不規(guī)則性，會(huì)影響材料的強(qiáng)度和塑性。面缺陷包括晶界、孿晶界和堆垛層錯(cuò)等，會(huì)影響材料的強(qiáng)度、硬度和導(dǎo)電性。體缺陷包括空洞、裂紋和夾雜物等，會(huì)影響材料的強(qiáng)