XRD表征技术.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,*,X-,射线衍射分析（,XRD,）,王红强,1,2,X-,射线衍射分析（,XRD,）,X-,射线的性质,X-,射线的产生,X-,射线与物质的相互作用,X-,射线衍射分析原理,粉未,X-,射线衍射分析及应用,3,X-,射线,1895,年伦琴（,W.C.Roentgen,）研究阴极射线管时，发现管的对阴极能放出一种有穿透力的肉眼看不见的射线。由于它的本质在当时是一个,“,未知数,”,，故称之为,X,射线,。,4,一、,X-,射线的性质,肉眼不能观察到，但可使照相底片感光、荧光板发光和使气体电离；,能透过可见光不能透过的物体；,这种射线沿直线传播在电场与磁场中不偏转，在通过物体时不发生反射、折射现象，通过普通光栅亦不引起衍射；,这种射线对生物有很厉害的生理作用。,5,二、,X-,射线的产生,产生,X-,射线的方法，是使快速移动的电子(或离子)骤然停止其运动，则电子的动能可部分转变成,X,光能，即辐射出,X-,射线。,6,7,特征,X,射线谱的产生,特征,X,射线的产生与阳极靶原子中的内层电子跃迁过程有关。如果管电压足够高，即由阴极发射的电子其动能足够大的时，那么当它轰击靶时，就可以使靶原子中的某个内层电子脱离它原来所在的能级，导致靶原子处于受激状态。此时，原子中较高能级上的电子便将自发的跃迁到该内层空位上去，同时伴随有多余的能量的释放。多余的能量作为,X,射线量子发射出来。显然，这部分多余的能量等于电子跃迁前所在的能级与跃迁到达的能级之间的能量差。,8,X,射线的频率由下式决定：,h,2,1,式中,1,和,2,为原子的正常状态能量和受刺激状态时的能量。,当打去,K,层电子时，所有靠外边的电子层中的电子都可能落到那个空位上，当产生回落跃迁时就产生,K,系的,X,射线光谱。,K,系线中，,K,线相当于电子由,L,层过渡到,K,层，,K,线相当于电子由,M,层过渡到,K,层。当然,K,线比,K,线频率要高，波长较短。整个,K,系,X,射线波长最短。结构分析时所采用的就是,K,系,X,射线。,9,10,三、,X,射线与物质的相互作用,X,射线与物质相互作用时，会产生各种不同的和复杂的过程。但就其能量转换而言，一束,X,射线通过物质时，它的能量可分为三部分：其中一部分被,散射,，一部分被,吸收,，一部分,透过,物质继续沿原来的方向传播。透过物质后的射线束由于散射和吸收的影响强度被衰减。,X,射线与物质作用除散射、吸收和通过物质外，几乎不发生折射，一般情况下也不发生反射。,11,1,、,X,射线的散射,定义：,X,射线通过物质时，其部分光子将会改变它们的前进方向这就是散射现象。,散射现象：包括相干散射和不相干散射,12,相干散射或称古典散射,当入射,X,光子与物质中的某些电子（例如内层电子）发生碰撞时，由于这些电子受到原子的强力束缚，光子的能量不足以使电子脱离所在能级的情况下，此种碰撞可以近似地看成是刚体间的弹性碰撞，其结果仅使光子的前进方向发生改变，即发生了散射，但光子的能量并未损耗，即散射线的波长等于入射线的波长。此时各散射线之间将相互发生干涉，故成为,相干散射,。相干散射是引起晶体产生衍射线的根源。,13,不相干散射也称康普顿效应,当入射,X,射线光子与物质中的某些电子（例如外层电子）发生碰撞时，由于这些电子与原子间的结合松弛，可以近似地看成是自由电子，碰撞的结果，,X,射线光子将一部分能量传递给电子，使电子脱离原子而形成反冲电子，同时光子本身也改变了原来的前进方向，发生了散射。这种散射由于各个光子能量减小的程度各不相同，即每个散射光子的波长彼此不等，因此相互不会发生干涉，故称为,不相干散射,。不相干散射线的波长比入射,X,射线的能量小、波长大。在,X,射线衍射分析中只增加连续背景，给衍射图带来不利影响。,14,2,、,X,射线的吸收,物质对,X,射线的,吸收是指,X,射线能量在通过物质时转变为其它形式的能量,。对,X,射线而言，即发生了能量损耗。有时把,X,射线的这种能量损耗称为吸收。物质对,X,射线的吸收主要是由原子内部的电子跃迁引起的。在这个过程中发生,X,射线的,光电效应,和,俄歇效应,，使,X,射线的部分能量转变成为,光电子、荧光,X,射线及俄歇电子的能量,。此外入射,X,射线的能量还消耗于产生热量。因此，,X,射线的强度被衰减。,15,16,四、,X-,射线衍射分析原理,布拉格方程：,n,=2,d,sin,17,德拜法（德拜,-,谢乐法）,照相法,聚焦法,多晶体衍射方法 针孔法,衍射仪法,劳埃（,Laue,）法,单晶体衍射方法 周转晶体法,四圆衍射仪,X,射线衍射的方法,18,X,射线衍射的方法,粉末法,是各种多晶体,X,射线分析法的总称，其中以德拜,-,谢乐法最具典型性，它用窄圆筒底片来记录衍射花样，较重要的还有聚焦照相法等。,粉末法,是衍射分析中最常用的方法。大多数材料的粉末或其板、丝、块、棒等均可直接用作式样，其,衍射花样,有可提供很多的分析资料。,粉末法,主要用于测定晶体结构，进行物相定性、定量分析，精确测定晶体的点阵参数以及材料的应力、织构、晶粒大小的测定等。,19,20,21,22,23,24,25,26,27,五、,X-,射线衍射分析应用,物相分析,定性分析,定量分析,单一物相的鉴定或验证,混合物相的鉴定,晶体结构分析,点阵常数（晶胞参数）测定,晶体对称性（空间群）的测定,等效点系的测定,晶体定向,晶粒度测定,宏观应力分析,28,X,pert MPD Pro,29,1,、物相分析,确定物质（材料）由哪些相组成（即,物相定性分析,或称物相鉴定）,确定各组成相的含量（常以体积分数或质量分数表示，即,物相定量分析,）。,30,（,1,）物相定性分析基本原理与方法,物质的,X,射线衍射花样特征：分析物质相组成的,“,指纹脚印,”,。,制备各种标准单相物质的衍射花样并使之规范化，将待分析物质(样品)的衍射花样与之对照，从而确定物质的组成相。,31,PDF,卡片,各种已知物相衍射花样的规范化工作于1938年由,哈那瓦特,(,J.D.Hanawalt),开创。,他的主要工作是将物相的衍射花样特征(位置与强度)用,d,(,晶面间距)和,I,(,衍射线相对强度)数据组表达并制成相应的物相衍射数据卡片。,卡片最初由“美国材料试验学会(,ASTM)”,出版，称,ASTM,卡片,。,1969年成立了国际性组织“粉末衍射标准联合会(,JCPDS)”，,由它负责编辑出版“粉末衍射卡片”，称,PDF,卡片,。,32,氯化钠,(NaCl),的,PDF,卡片,33,PDF,卡片索引,为方便、迅速查对,PDF,卡片，,JCPDS,编辑出版了多种,PDF,卡片检索手册：,Hanawalt,无机物检查手册、,Hanawalt,有机相检查手册、无机相字母索引、,Fink,无机索引、矿物检索手册等,检索手册按检索方法可分为两类：,以物质名称为索引,(,即字母索引,),、以,d,值数列为索引,(,即数值索引,),。,34,数值索引,以,Hanawalt,无机相数字索引为例。,其编排方法为：一个相一个条目，在索引中占一横行，其内容依次为按强度递减顺序排列的,8,条强线的晶面间距和相对强度值、化学式、卡片编号和参比强度值。条目示例如下：,芬克无机数值索引与哈那瓦特数值索引相类似，主要不同的是其以八强线条的,d,值循环排列，每种相在索引中可出现,8,次。,35,字母索引,以物相英文名称字母顺序排列。每种相一个条目，占一横行。,条目的内容顺序为：物相英文名称、三强线,d,值与相对强度、卡片编号和参比强度号。条目示例如下：,36,物相定性分析的基本步骤,（,1,）制备待分析物质样品；,（,2,）用衍射仪法或照相法获得样品衍射花样；,（,3,）检索,PDF,卡片；,（,4,）核对,PDF,卡片与物相判定。,37,多相物质分析,多相物质相分析的方法是按上述基本步骤逐个确定其组成相。,多相物质的衍射花样是其各组成相衍射花样的简单叠加，这就带来了多相物质分析,(,与单相物质相比,),的困难：,检索用的三强线不一定局于同一相，而且还可能发生一个相的某线条与另一相的某线条重叠的现象。,因此，多相物质定性分析时，需要将衍射线条轮番搭配、反复尝试，比较复杂。,38,2,、物相定量分析,基本原理,定量分析的任务是确定物质(样品)中各组成相的相对含量。,由于需要准确测定衍射线强度，因而定量分析一般都采用衍射仪法。,设样品中任意一相为,j,，,其某(,HKL,),衍射线强度为,I,j,，,其体积分数为,f,j,，,样品(混合物)线吸收系数为,；定量分析的基本依据是：,Ij,随,f,j,的增加而增高；但由于样品对,X,射线的吸收，,I,j,亦不正比于,f,j,，,而是依赖于,I,j,与,f,j,及,之间的关系。,39,在电解铝生产中的主要应用,:,x,射线衍射技术在烧结法、混联法氧化铝生产、电解铝生产科研以及新产品开发中的主要应用,:,研究其在,50,至,1350,的烧结过程中的相变行为,过程相变实时图谱如下：,通过对比,我们可以清晰地观察到生料在整个焙烧过程中每个物相的转变过渡相的生成消失新相的生成等行为,.,40,Ce0.3Ti0.7O2,样品,XRD,精细结构分析谱图,Dot:,experimental data,Solid line:,calculated data,Bottom curve:,the difference between the experimental and calculated data.,a:,0.9811(8)nm,b:,0.3726(3)nm,c:,0.6831(6)nm,:118.84,41,Ce0.3Ti0.7O2,样品在不同温度焙烧下的,XRD,谱图,42,CexTi1-xO2,样品的,XRD,谱图,43,可以看出，,400,、,500,下煅烧的样品粒径很小；,600,下煅烧的晶粒较为清楚；而,700,下煅烧的晶粒较大，棱角清晰显然随着煅烧温度的升高，样品晶粒逐渐长大，结晶度也逐渐升高,