南京大学近代物理实验-X射线衍射物的定量物相分析.docx

X射线衍射的定量物相分析

摘要：X射线在晶体中的衍射，实质上是大量原子散射波互相干涉的结果。每种晶体所产生的衍射花样都是其内部原子分布规律的反映。本实验利用自动化X射线衍射仪和专用的数据分析软件，进行定量物相分析。
关键词：X射线衍射，特征谱，粉末法
一、引言
作为结构研究基础的X射线晶体学已趋成熟，相关繁重计算因计算机的使用而成为可行。它的应用日趋富有成效, 已成为必不可少的工具。材料科学的基础研究和应用基础研究中， 功能意识的加强以及对结构与性能联系规律认识的不断提高，人们期望着实现以性能为导向寻找和设计最适宜结构的最佳化合物,并付诸实施。宏观表象转移至微观认识。结构参数信息带来新观念和生产工艺改进，为研制新材料、建立新理论提供依据有着重要的意义和不可限量的前景。多晶X射线衍射样品易得, 样品与实际体系相接近，作为研究物质结构,质量检查的X射线衍射分析技术应用极为广泛。

二、实验原理

三、实验仪器
德国布鲁克公司D8 X射线衍射仪：
X射线光源: 3kW封闭靶（陶瓷X光管）；
测角仪: 扫描方式θ/θ 联动测角仪，测角仪的样品台水平放置并保持不动，角度重现性达到
0.0001°；
驱动方式：步进马达驱动; 最高定位速度：1500°/min狭缝系统：包括索勒狭缝、发散狭缝、防散射狭缝、接受狭缝等；
LynxEye 探测器：（1）强度增益比常规的闪烁计数器高150倍，同时具有优秀的分辨率及信噪比；（2）超快的测量速度；（3）良好的低角度测量性能；（4）良好的分辨率；
循环水冷系统:要求连续工作; 控温精度≤±2℃; 供水流量,满足发生器要求, 进水度可调; 过
热保护。

四、实验步骤：
1. 按照D8 X射线衍射仪操作规程开机。
（1）开总电源。
（2）开电脑。
（3）开循环水。
（4）开仪器电源（按绿色按钮，由4灯全亮变成ON和ALARM灯亮）。
（5） 开X-ray高压（右侧扳手顺时针向上扳45度保持3~5秒，直到Ready灯亮）。
（6）开BIAS（在前盖盘内）。
（7）开软件XRD Commander。
2. 测量。打开XRD Commander，先初始化（点击两个轴上面的选项Requested，选定两个轴，使Tube为20，Detector为20，点击菜单里的初始化图标进行初始化）。做物相分析在Scantype中选Locked Coupled，并且在Detail中将探测器改为1D。在XRD Commander中选择各参数（起始角、终止角、步长等）开始测量。即可获得一张衍射图谱，将其保存为*.raw文件。对于未知的样品：首先，扫描范围0.10~900，步长大些，快速扫描。然后，参照第前面的谱线，把扫描起始角放在第一个峰前一点，把终止角放在最后一个峰后一点。对于一般定性分析用连续扫描。对于定量分析（例如无标样定量相分析等）对强度要求高，就用步进扫描。
3. 按照D8 X射线衍射仪操作规程关机。
4. 数据处理。
（1）打开Eva软件。
（2）将待处理的数据文件导入。点击File/Import/Scan调入原始数据文件*.raw进行处理（或点击File/Open调入*.EVA文件进行处理）。
3）在ToolBox框内进行数据处理。
i)扣背景：点击Backgnd/点击Default/点击Replace，显示扣背景处理后的数据（也可以点击Backgnd，把门槛threshold改为“0”，上下移动滑块，调整至合适背景，点击“Replace”，显示扣背景处理后的数据）。
ii) 删除k：点击Strip k/点击Default/点击Replace，显示处理后的数据（也可以上下移动滑块调整至合适，单击Replace，显示处理后的数据）。
iii)平滑处理：单击Smooth/点击Default/点击Replace，显示处理后的数据（也可以设定需要平滑的参数，左右或上下移动滑块进行调整，合适后单击Replace，显示处理后的数据）。
iv)寻峰：点击Peak Search，设定寻峰参数（门槛threshold与峰宽Width标定，可以上下移动滑块进行调整）。点击“Append to list”标定全谱衍射d值（标定漏峰只需按左键将“↓”拖移至峰顶点击即可，删除峰可点击删除峰与“×”即可），此时数据在peak状态列于框内。
（4）选定所有的峰，单击Made DIF生成DIF文件。
（5）物相的定性分析：点击Search/Match。在Search/Match框内选择前三个Quality Marks，选择可能的元素，并选择Pattern，点击Search进行检索/匹配。（先选Toggle All/点击左上角的元素“H”可以将所有的元素变为红色，即肯定没有。/选择肯定有的点成绿色。/选择可能有的点成灰色。红色肯定没有。）。最后根据列表给出的可能物质通过比较卡片内的谱线和实际测量出谱线的吻合程度来确定组成成分，也就完成了X射线衍射的初步分析工作。

五、数据处理结果
计算机输出的衍射图谱分析结果如下图所示，可以看出该样品含有Mg、Si及O三种元素。

六、 思考题
1.为什么衍射仪记录的始终是平行于试样表面的衍射？
答：晶面若不平行于试样表面，尽管也产生衍射，但衍射线进不了探测器，不能被接收。

2. 平行表面的晶面有无衍射产生？
答：有衍射产生。

3. 用衍射仪如何区分单晶、多晶和非晶？
答：1、单晶结构：结晶体内部的微粒在三维空间呈有规律地、周期性地排列，或者说晶体的整体在三维方向上由同一空间格子构成，整个晶体中质点在空间的排列为长程有序。
2.多晶结构：多晶结构薄膜是由若干尺寸大小不等的晶粒所组成。
3、非晶结构（无定形结构或玻璃态结构）：它是一种近程有序结构。就是2～3个原子距离内原子排列是有序的，大于这个距离排列是杂乱无规则的。
因此单晶至多出现一组相关衍射峰，多晶则可能出现不相关的多组衍射峰，由于晶粒取向随机，因此各个峰的指数没什么规律可言。非晶的衍射图谱则是杂乱无章的，没有明显的衍射峰。

参考文献
[1]黄润生，沙振舜，唐涛等，近代物理实验（第二版），南京大学出版社，2008.

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