晶體X射線衍射實(shí)驗(yàn)報(bào)告1

1、晶體X射線衍射實(shí)驗(yàn)報(bào)告1中南大學(xué)x射線衍射實(shí)驗(yàn)報(bào)告材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程專業(yè)材料1007班班級(jí)姓名程炳師學(xué)號(hào)K201011601240同組者實(shí)驗(yàn)日期2012年11月17日指導(dǎo)教師黃繼武評(píng)分分評(píng)閱人評(píng)閱日期一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?）掌握X射線衍射儀的匸作原理、操作方法；2）掌握X射線衍射實(shí)驗(yàn)的樣品制備方法；3）學(xué)會(huì)X射線衍射實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置，獨(dú)立完成一個(gè)衍射實(shí)驗(yàn)測(cè)試；4） 學(xué)會(huì)MDI Jade 6的基本操作方法；5）學(xué)會(huì)物相定性分析的原理和利用Jade進(jìn)行物相鑒定的方法;6）學(xué)會(huì)物相定量分析的原理和利用Jade進(jìn)行物相定量的方法。本實(shí)驗(yàn)山衍射儀操作、物相定性分析、物相定量分析三個(gè)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)

2、組成，實(shí) 驗(yàn)報(bào)告包含以上三個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。二、實(shí)驗(yàn)原理miaaX射線是利用衍射原理，精確測(cè)定物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)，織構(gòu)及應(yīng)力。對(duì)物質(zhì)進(jìn)行 物相分析、定性分析、定量分析。廣泛應(yīng)用于冶金、石油、化工、科研、航空航 天、教學(xué)、材料生產(chǎn)等領(lǐng)域。特征X射線是一種波長(zhǎng)很短（約為20, 0. 06nm）的電磁波，能穿透一定厚度的物 質(zhì)，并能使熒光物質(zhì)發(fā)光、照相乳膠感光、氣體電離。在用電子束轟擊金屬“靶” 產(chǎn)生的X射線中，包含與靶中各種元素對(duì)應(yīng)的具有特定波長(zhǎng)的X射線，稱為特征 （或標(biāo)識(shí)）X射線。考慮到X射線的波長(zhǎng)和晶體內(nèi)部原子間的距離相近，1912年德國(guó) 物理學(xué)家勞厄（M. von Laue）提出一個(gè)重要的科學(xué)預(yù)見:晶

3、體可以作為X射線的空間 衍射光，即當(dāng)一束X射線通過晶體時(shí)將發(fā)生衍射，衍射波疊加的結(jié)果使射線的強(qiáng)度 在某些方向上加強(qiáng)，在其他方向上減弱。分析在照相底片上得到的衍射花樣，便可 確定晶體結(jié)構(gòu)。這一預(yù)見隨即為實(shí)驗(yàn)所驗(yàn)證。1913年英國(guó)物理學(xué)家布拉格父子（W.H. Bragg, W. . L Bragg）在勞厄發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，不僅成功地測(cè)定了 NaCl. KC1等的 晶體結(jié)構(gòu)，并提出了作為晶體衍射基礎(chǔ)的著名公式?布拉格定律：2dsin, n,1式中X為X射線的波長(zhǎng)，n為任何正整數(shù)。當(dāng)X射線以掠角0 （入射角的余 角，乂稱為布拉格角）入射到某一點(diǎn)陣晶格間距為d的晶面面上時(shí)，在符合上式的 條件下，將在反射方向

4、上得到因疊加而加強(qiáng)的衍射線。1、X射線衍射儀,1,X射線管X射線管工作時(shí)陰極接負(fù)高壓陽極接地。燈絲附近裝有控制柵使燈絲發(fā)出 的熱電子在電場(chǎng)的作用下聚焦轟擊到靶面上。陽極靶面上受電子束轟擊的焦點(diǎn)便成 為X射線源向四周發(fā)射X射線。在陽極一端的金屬管壁上一般開有四個(gè)射線出射 窗口。轉(zhuǎn)靶X射線管采用機(jī)械泵+分子泵二級(jí)真空泵系統(tǒng)保持管內(nèi)真空度陽極以極快的速度轉(zhuǎn)動(dòng)使電子轟擊面不斷改變即不斷改變發(fā)熱點(diǎn)從而達(dá)到提高功率的口的,2,測(cè)角儀系統(tǒng)樣品臺(tái)可以繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)平板狀粉末多晶樣品安測(cè)角儀圓中心是樣品臺(tái)放在樣品臺(tái)上樣品臺(tái)可圍繞垂直于圖面的中心軸旋轉(zhuǎn)，測(cè)角儀圓周上安裝有X射線輻射探測(cè)器探測(cè)器亦可以繞中心軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，

5、工作時(shí)一般情況下試樣臺(tái)與探 測(cè)器保持固定的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)系，即0-2 0連動(dòng)，在特殊情況下也可分別轉(zhuǎn)動(dòng)，有的儀器中樣品臺(tái)不動(dòng)而X射線發(fā)生器與探測(cè)器連動(dòng)。,3,衍射光路F; 1?射線源焦線 弘Sc：平行箔片光IM J發(fā)散族縫J:接收狹縫中線 丁止復(fù)收狹縫F皿防散射狹縫0：測(cè)角儀旋轉(zhuǎn)軸線八物相定性分析1）每一物相具有其特有的特征衍射譜沒有任何兩種物相的衍射譜是完全相的2）記錄已知物相的衍射譜并保存為PDF文件3）從PDF文件中檢索出與樣品衍射譜完全相同的物相4）多相樣品的衍射譜是其中各相的衍射譜的簡(jiǎn)單疊加互不干擾檢索程序 能從PDF文件中檢索出全部物相3、物相定量分析物相定量分析一一絕熱法在一個(gè)含有X個(gè)物

6、相的多相體系中每一個(gè)相的RIR值，參比強(qiáng)度，均為已知的情況下測(cè)量出每一個(gè)相的衍射強(qiáng)度可計(jì)算出其中所有相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)：其中某相X的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可表示為：2IXW, XNIXiK, AiK, iAA式中A表示'個(gè)相中被選定為內(nèi)標(biāo)相的物相名稱XKX23A10 式中 K, AAK23A10右邊是兩個(gè)物相X和A的RIR值可以通過實(shí)測(cè)、計(jì)算或查找PDF卡片獲得。樣品中只含有兩相A和B并選定A為內(nèi)標(biāo)物相則有：IA W, AIBI, ABKAIB W,IKBAA，、點(diǎn)陣常數(shù)精確測(cè)定1）晶胞參數(shù)的訃算晶胞參數(shù)需山已知指標(biāo)的晶面間距來訃算對(duì)立方晶系：,dhkl a, ,222222h, k, 12sin（, ）

7、h, k, 12）晶胞參數(shù)的誤差山上式可知晶胞參數(shù)的誤差來源于對(duì)晶面間距d的測(cè)量誤差即衍射角的測(cè) 量誤差：上式表明相同衍射角測(cè)量誤差對(duì)d引起的誤差隨衍射角增大而減小3)晶胞 參數(shù)的系統(tǒng)誤差系統(tǒng)誤差主要是儀器本身的零點(diǎn)不準(zhǔn)樣品表面狀態(tài)引起的誤差。這些誤差可 通過校正來消除4) 晶胞參數(shù)的精確測(cè)量方法用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)校準(zhǔn)儀器誤差如在樣品粉末中加標(biāo)準(zhǔn)Si來校準(zhǔn)譜線的衍射角外推法精確訃算點(diǎn)陣常數(shù)。根據(jù)衍射角與面間距誤差的關(guān)系將衍射角外推到 180?時(shí)衍射角位路引起的誤差為0結(jié)構(gòu)精修。用一定的峰形函數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合使兩者的誤差達(dá)到最小5) 全譜擬合Retiveld提出采用一定的峰形函數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合通過不

8、斷調(diào)整峰形函數(shù) 和結(jié)構(gòu)參數(shù)使計(jì)算值一步一步地逼近實(shí)驗(yàn)值直到兩者的差值R最小：2R,w(Y, Y) oici, i2R,w(Y, Y) oici, i3式中wi權(quán)重因子wi=l/YiYoi,Yci步進(jìn)掃描第i步的實(shí)測(cè)強(qiáng)度和計(jì)算強(qiáng)度使R值最小的過程就是圖譜擬合過程。通過修正晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)使擬合函數(shù)和 山晶體結(jié)構(gòu)訃算出來的峰形函數(shù)吻合就是晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)精密化過程三、儀器與材料1) 儀器：18KW轉(zhuǎn)靶X射線衍射儀2) 數(shù)據(jù)處理軟件:數(shù)據(jù)采集與處理終端與數(shù)據(jù)分析軟件MDI Jade 6 3)實(shí)驗(yàn)材 料:樣品Li-Xi-0試樣 和C。試樣四、實(shí)驗(yàn)步驟1測(cè)量數(shù)據(jù)1）準(zhǔn)備樣品；2）打開X射線衍射儀；3）按下“Do

9、or”按鈕，聽到報(bào)警；4）向右拉開“常規(guī)衍射儀門”，裝好樣品；5）向左輕拉“常規(guī)衍射儀門”，使之合上；6）打開“控制測(cè)量”程序，輸入實(shí)驗(yàn)條件和樣品名，開始測(cè)量；表1實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)定：儀器掃描范圍掃描度電壓電流D/max 2500 型 X 射線衍射儀 10-80 8?/min 40KV 250mA7）按相同的實(shí)驗(yàn)條件測(cè)量其它樣品的衍射數(shù)據(jù)。2物相鑒定1）打開Jade,讀入衍射數(shù)據(jù)文件；2）鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊S/M工具按鈕，進(jìn)入“Search/Match”對(duì)話界面；3）選擇 "Chemistry filter”，進(jìn)入元素限定對(duì)話框，選中樣品中的元素名稱，然后點(diǎn)擊0K返回對(duì)話框，再點(diǎn)擊0K;4）從物

10、相匹配表中選中樣品中存在的物相。在所選定的物相名稱上雙擊鼠標(biāo)，顯示PDF卡片，按下Save按鈕，保存PDF卡片數(shù)據(jù)；5）如果樣品存在多個(gè)物相，在主要相鑒定完成后，選擇剩余峰（未鑒定的衍 射），做uSearch/Matchn ,直至全部物相鑒定出來。6）鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊“打印機(jī)”圖標(biāo)，顯示打印結(jié)果，按下“Save”按鈕，輸出 物相鑒定結(jié)果。7）以同樣的方法標(biāo)定其它樣品的物相，物相鑒定實(shí)驗(yàn)完成。3物相定量分析1）在Jade窗口中，打開一個(gè)多相樣品的衍射譜；2）完成多相樣品的物相鑒定，物相鑒定時(shí)，選擇有RIR值的PDF卡片；3）選 擇每個(gè)物相的主要未重疊的衍射峰進(jìn)行擬合，求出衍射峰面積；4）選擇菜單uO

11、ptions Easy Quantitative",按絕熱法計(jì)算樣品中兩相的重量百分?jǐn)?shù);5）按 下“Save”按鈕，保存定量分析結(jié)果，定量分析數(shù)據(jù)處理完成。計(jì)算公式：4aaKRIRIa23A10aK, W, babbaKRIR（I, IK）23abbA10五實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理1物相鑒定結(jié)果2303010IrtenaK Data lew50說明：已知樣品為含Li-Ni-0元素的物質(zhì)選擇Li、Xi和0元素檢索得到LiNiO相，40506070W90100Daex Inc.已知樣品為含Co元素的物質(zhì)選擇Co元素檢索得到兩種Co相，2定量分析結(jié)果I=,I=, K=, K二 lMgZn2AlMgZn

12、2aaKRIRa23A10K, =7. 29/6. 48二1. 125 bbbKRIR23A10IaW, =59. 4 aa(I, IK) abbW, 1, W=40. 6 ba戀 PDF gc：門町 I.i" (drac w 處offM, Eick “ it? c=q1p»i)h“ 二|叵|區(qū)I-郃廠 Fti®6 ID r FialD r dl?) r 2加代廠 I爲(wèi)廠 Hd 廠 Seo* F LmMaikei 廠 VertcalFoniFhncILZOyh川1富 2T0| ddOI filfl I ； Toq X5|?)|2 “U efahaCo?! CoM:

13、CoEFtU妙內(nèi)舶G7 3OCD3 1.0033 7.2359 4Ma«>ICCC22 9CI.C0) 1.00) 6J8勺 6Md.uHClXl3點(diǎn)陣常數(shù)精確測(cè)定結(jié)果從以下實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖片中可以看到點(diǎn)陣常數(shù)測(cè)定結(jié)果:六結(jié)果與討論本次實(shí)驗(yàn)釆用的儀器為X射線衍射儀它是按照晶體對(duì)X射線衍射的兒何原理設(shè)計(jì)制造的。7布拉格方程是X射線衍射儀最基本的理論基礎(chǔ)也是進(jìn)行X射線檢測(cè)最根本2sindn,和重要的理論依據(jù)之一。由知確定了一組相互對(duì)應(yīng)的0與入便 可求出一組干涉面的面間距d當(dāng)干涉指數(shù)互質(zhì)時(shí)干涉面就代表一族真實(shí)的晶 面。因?yàn)榇嬖谙到y(tǒng)消光并非所有滿足布拉格方程的干涉面都有對(duì)應(yīng)的衍射條紋。為保證

14、能得到足夠的衍射譜線以分析X射線衍射儀使用的是粉末樣品用單 色,標(biāo)識(shí),X射線照射多晶體試樣即多晶體衍射方法并且同時(shí)使樣品轉(zhuǎn)動(dòng)，0 - 2 0連動(dòng),設(shè)計(jì)2:1的角速度比U的是確保探測(cè)的衍射線與入射線始終保持2 0 的關(guān)系即入射線與衍射線以試樣表面法線為對(duì)稱軸在兩側(cè)對(duì)稱分布，輻射探測(cè) 器接收到的衍射是那些與試樣表面平行的晶面產(chǎn)生的衍射，同樣的晶面若不平行于 試樣表面即使產(chǎn)生衍射其衍射線進(jìn)不了探測(cè)器不能被接受,X射線源山X射 線發(fā)生器產(chǎn)生其線狀焦點(diǎn)位于測(cè)角儀周圍位路上固定不動(dòng)。在線狀焦點(diǎn)S到試樣 0和試樣產(chǎn)生的衍射線到探測(cè)器的光路上還安裝有多個(gè)光闌以限制X射線的發(fā)散， 當(dāng)探測(cè)器山低0角到高0角轉(zhuǎn)動(dòng)的

15、過程中將逐一探測(cè)和記錄各條衍射線的位 路,20角度，和強(qiáng)度。探測(cè)器的掃描范圉可以從-20。至IJ+16M這樣角度可保證接 收到所有衍射線。在粉末樣品的制備過程中也可能因?yàn)榍蚰r(shí)間、壓力大小等等使得所制備的 樣品顆粒尺寸達(dá)到納米級(jí)數(shù)其而小到發(fā)生晶格畸變。此時(shí)若交付X射線檢測(cè)將得 不到原始樣品的檢測(cè)結(jié)果因?yàn)椴牧辖Y(jié)構(gòu)已經(jīng)改變。但這種情況比較少見因?yàn)橐?般條件下球磨達(dá)不到這樣的效果。導(dǎo)致樣品譜線與標(biāo)準(zhǔn)譜線間的偏差的主要原因是織構(gòu)的存在。洛倫茲因子的 cos 0部分決定了試樣內(nèi)部的晶粒必須是隨機(jī)取向的這時(shí)衍射線積分強(qiáng)度公式才有效。232, eV2, M2 () () IIPFAe, , 02232RmcV, clcos2, , 2, M2IPFAe,(),相對(duì)，2sincos,德拜謝樂法，lcos2, ,2,2MIPFe,相對(duì),2sincos,，衍射儀法，實(shí)際上線材板材甚至天然礦物都有一定程度的晶體定向排布。材料在加工過 程中受到外界的力、熱、電、磁等各種不同條件的影響或在形成后受到不同的加 工工藝的影響會(huì)形