X射线衍射分析法.doc

实验十六 X射线衍射分析法
一.实验目的
1.了解X射线衍射仪的简单结构以及使用方法
2.掌握X射线粉末法测出晶体物质的晶胞常数和晶体尺寸的方法
二.实验原理
无论是金属材料,无机非金属材料还是有机或高分子材料,常包括两种以至多种化学元素。即使只含一种元素，也可能有相变。多种元素的材料更可能发生两种或多种元素的相结合。形成多种中间化合物.多晶材料中存在的物相种类和数量与它的化学成分,热处理状态诸多因素有关.因此物相的鉴定和定量测定是材料研究中不可缺少的.任何化学分析只能给出材料或物质的化学元素和含量,而不能识别物质存在的相结构状态,而衍射方法就能解决这个问题。
我们所用的D8-ADVANCE是在大气条件下分析晶体状态的X射线衍射仪.此方法是非破坏性的.聚焦于安装在测角仪轴的样品上的X射线,受到样品的衍射.测定,记录衍射X射线强度,同时跟随样品的旋转角度,绘出射线强度与衍射角相关的峰形谱图.这就是样品的X射线图.利用计算机分析衍射图中的衍射峰位置及强度,利用这样的谱图可以进行样品的定性分析,晶格常数测定或应力分析.根据衍射峰的高度,即强度或面积可以进行样品的定量分析.可以利用衍射峰的角度及峰形测定晶粒的直径及结晶度,还可用于进行精密的X射线结构分析.
1.晶体的特征
晶体的最本质特征是晶体内部结构中，原子或原子团在三维空间排列成周期性的列阵——空间点阵。
晶体学把能反映对称性最小的晶格来构成空间格子，这样的重复单元称为晶胞，晶胞是平行六面体结构，可以用晶胞常数a、b、c；α、β、γ来描述。
每个晶体都具有自己独特的晶体结构，它们构成七大晶系。
当射线通过某晶体时，可以利用射线仪直接测定和记录所产生的晶体衍射方向（θ角）和衍射线的强度（I值），以2θ角为横坐标，I值为纵坐标即得X射线衍射谱图。根据所产生的衍射效应，可进行晶体物质的物相分析。
2.衍射方法
X射线衍射方法是衍射方法中使用最普通的方法
3.X射线衍射仪的构造
（1）D8-ADVANCE 配置图
（2）X射线管剖面图示意图
X射线的产生：
用绕成螺线形的钨丝作阴极，通过几十毫安的电流，阴极因受热发射出电子，这些电子再几万伏的高压下加速运动，撞击到由一定金属（Cu，Fe，Mo等)制成的阳极靶上，在阳极即产生X射线。
（3）测角仪几何光路装置示意图
（a）S1，S2两个梭拉狭缝
（b）发射狭缝（DS，0.5°，1°，2°，0.05mm）
是限制投射在样品上的X光束宽度，对于衍射能力小的样品，衍射的X射线强度小，一般选用较大的发射狭缝
（c）散射狭缝（SS，0.5°，1°，2°）
是排除X光路上各种零件所造成的散射和防止空气的散射
（d）接受狭缝（RS，0.15mm,0.3mm）
是限制进入检测器X光宽度的
一般物质测试选用DS（1°），SS（1°），RS（0.3mm）

三.仪器及试剂
BURKER , D8-ADVANCE ，玛瑙研钵，药勺，试样架，循环水泵
ZnO(样品)
四.实验步骤
1.开机 仪器预热20-30分钟后，启动XRD Commands. ① 轴的初始化；②设定 KV=40, MA=40的工作条件，以Cu靶为辐射线源。
2．试样的要求及制备 ①试样要求；粉晶、表面平整、晶粒大小≤15um。②制备：取适量试样于玛瑙研钵中，充分研磨至无颗粒感。将研磨过的ZnO尽可能均匀地装入样品框中，用载玻片把粉末压紧、压平、压实，把多余的粉末削去，固定于衍射仪的样品室的样品台上。
3．测试 在相应的栏目中设定步长、扫面速度，扫描范围等各项参数，启动 X-射线探测器开始测试，得到衍射谱图。
4．数据记录及处理 由JCPDS卡片数据库中查处ZnO的标准衍射谱图，将实验数据与其比对，分析试样的物相和纯度，并对衍射峰进行指标化。
5．由实验数据来计算ZnO的晶胞常数和晶粒尺寸

五.注意事项
1.仪器中的各种参数不得随意更改，需要更改时跟老师说明，使用完后需要将参数改回
2.测试工作完成后，必须等8分钟后，使X光管充分降温后才能将冷却水关闭

注： ZnO 的标准结构
①80-0075 ZnO Zinc Oxide sys: Hexagonal, Lattice: Primitive
S.G.: P63mc Cell Parameters: a 3.253, c 5.209

②77-0191 ZnO Zinc Oxide sys: Cubic, Lattice: Face-centered
S.G.: Fm3m Cell Parameters: a 4.280,

据X射线衍射理论，在晶粒尺寸小于100nm时，随晶粒尺寸的变小衍射峰宽化变得显著，考虑样品的吸收效应及结构对衍射线型的影响，样品晶粒尺寸可以用Debye-Scherrer公式计算。
Scherrer公式：Dhkl=kλ/βcosθ
其中，Dhkl为沿垂直于晶面（hkl）方向的晶粒直径，k为Scherrer常数（通常为0.89）， λ为入射X射线波长（Cuka 波长为0.15406nm，Cuka1 波长为0.15418nm。），θ为布拉格衍射角（°），β为衍射峰的半高峰宽（rad）。