晶体X射线衍射实验报告1.docx
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晶体X射线衍射实验报告1
晶体X射线衍射实验报告1
中南大学
X射线衍射实验报告
材料科学与工程学院材料科学与工程专业材料1007班班级姓名程炳师学号K201011601240同组者实验日期2012年11月17日指导教师黄继武评分分评阅人评阅日期
一、实验目的
1）掌握X射线衍射仪的工作原理、操作方法;
2）掌握X射线衍射实验的样品制备方法;
3）学会X射线衍射实验方法、实验参数设置，独立完成一个衍射实验测试;4）学会MDIJade6的基本操作方法;
5）学会物相定性分析的原理和利用Jade进行物相鉴定的方法;
6）学会物相定量分析的原理和利用Jade进行物相定量的方法。
本实验由衍射仪操作、物相定性分析、物相定量分析三个独立的实验组成，实验报告包含以上三个实验内容。
二、实验原理
X射线是利用衍射原理，精确测定物质的晶体结构，织构及应力。
对物质进行物相分析、定性分析、定量分析。
广泛应用于冶金、石油、化工、科研、航空航天、教学、材料生产等领域。
特征X射线是一种波长很短（约为20,0.06nm）的电磁波，能穿透一定厚度的物质，并能使荧光物质发光、照相乳胶感光、气体电离。
在用电子束轰击金属“靶”产生的X射线中，包含与靶中各种元素对应的具有特定波长的X射线，称为特征（或标识）X射线。
考虑到X射线的波长和晶体内部原子间的距离相近，1912年德国物理学家劳厄（M.vonLaue）提出一个重要的科学预见:
晶体可以作为X射线的空间衍射光，即当一束X射线通过晶体时将发生衍射，衍射波叠加的结果使射线的强度在某些方向上加强，在其他方向上减弱。
分析在照相底片上得到的衍射花样，便可确定晶体结构。
这一预见随即为实验所验证。
1913年英国物理学家布拉格父子（W.H.Bragg,W..LBragg）在劳厄发现的基础上，不仅成功地测定了NaCl、KCl等的晶体结构，并提出了作为晶体衍射基础的著名公式?
?
布拉格定律:
2dsin,,n,，
1
式中λ为X射线的波长，n为任何正整数。
当X射线以掠角θ（入射角的余角，又称为布拉格角）入射到某一点阵晶格间距为d的晶面面上时，在符合上式的条件下，将在反射方向上得到因叠加而加强的衍射线。
1、X射线衍射仪
1,X射线管
X射线管工作时阴极接负高压～阳极接地。
灯丝附近装有控制栅～使灯丝发出的热电子在电场的作用下聚焦轰击到靶面上。
阳极靶面上受电子束轰击的焦点便成为X射线源～向四周发射X射线。
在阳极一端的金属管壁上一般开有四个射线出射窗口。
转靶X射线管采用机械泵+分子泵二级真空泵系统保持管内真空度～阳极以极快的速度转动～使电子轰击面不断改变～即不断改变发热点～从而达到提高功率的目的
2,测角仪系统
样品台可以绕中心轴转动～平板状粉末多晶样品安测角仪圆中心是样品台～
放在样品台上～样品台可围绕垂直于图面的中心轴旋转,测角仪圆周上安装有X射线辐射探测器～探测器亦可以绕中心轴线转动,工作时～一般情况下试样台与探测器保持固定的转动关系,即θ-2θ连动,～在特殊情况下也可分别转动,有的仪器中样品台不动～而X射线发生器与探测器连动。
3,衍射光路
、物相定性分析
1）每一物相具有其特有的特征衍射谱～没有任何两种物相的衍射谱是完全相同
的
2）记录已知物相的衍射谱～并保存为PDF文件
3）从PDF文件中检索出与样品衍射谱完全相同的物相
4）多相样品的衍射谱是其中各相的衍射谱的简单叠加～互不干扰～检索程序能
从PDF文件中检索出全部物相
3、物相定量分析
物相定量分析——绝热法
在一个含有N个物相的多相体系中～每一个相的RIR值,参比强度,均为已知的情况下～测量出每一个相的衍射强度～可计算出其中所有相的质量分数:
其中某相X的质量分数可表示为:
2
IXW,XNIXiK,AiK,iAA
式中A表示N个相中被选定为内标相的物相名称
XKX23AlO式中K,AAK23AlO
右边是两个物相X和A的RIR值～可以通过实测、计算或查找PDF卡片获得。
样品中只含有两相A和B～并选定A为内标物相～则有:
IAW,AIBI，ABKA
IBW,,1,WBABI，IKBAA
、点阵常数精确测定
1）晶胞参数的计算
晶胞参数需由已知指标的晶面间距来计算～对立方晶系:
dhkla,,222222h，k，l2sin（,）h，k，l
2）晶胞参数的误差
由上式可知～晶胞参数的误差来源于对晶面间距d的测量误差～即衍射角的测量误差:
d,,,,cot,d
上式表明～相同衍射角测量误差对d引起的误差随衍射角增大而减小3）晶胞参数的系统误差
系统误差主要是仪器本身的零点不准～样品表面状态引起的误差。
这些误差可通过校正来消除
4）晶胞参数的精确测量方法
用标准物质校准仪器误差～如在样品粉末中加标准Si来校准谱线的衍射角
外推法精确计算点阵常数。
根据衍射角与面间距误差的关系～将衍射角外推到180?
时～衍射角位臵引起的误差为0
结构精修。
用一定的峰形函数对实验数据进行拟合～使两者的误差达到最小5）全谱拟合
Retiveld提出～采用一定的峰形函数对实验数据拟合～通过不断调整峰形函数和结构参数～使计算值一步一步地逼近实验值～直到两者的差值R最小:
2R,w（Y,Y）oici,i
2R,w（Y,Y）oici,i
3
式中wi——权重因子～wi=1/Yi
Yoi,Yci——步进扫描第i步的实测强度和计算强度
使R值最小的过程就是图谱拟合过程。
通过修正晶体结构参数～使拟合函数和由晶体结构计算出来的峰形函数吻合～就是晶体结构参数精密化过程
三、仪器与材料
1）仪器:
18KW转靶X射线衍射仪
2）数据处理软件:
数据采集与处理终端与数据分析软件MDIJade63）实验材料:
样品Li-Ni-O试样和Co试样
四、实验步骤
1测量数据
1）准备样品;
2）打开X射线衍射仪;
3）按下“Door”按钮，听到报警;
4）向右拉开“常规衍射仪门”，装好样品;
5）向左轻拉“常规衍射仪门”，使之合上;
6）打开“控制测量”程序，输入实验条件和样品名，开始测量;
表1实验参数设定:
仪器扫描范围扫描度电压电流
D/max2500型X射线衍射仪10-808?
/min40KV250mA
7）按相同的实验条件测量其它样品的衍射数据。
2物相鉴定
1）打开Jade，读入衍射数据文件;
2）鼠标右键点击S/M工具按钮，进入“Search/Match”对话界面;3）选择“Chemistryfilter”，进入元素限定对话框，选中样品中的元素名称，然后点击
OK返回对话框，再点击OK;
4）从物相匹配表中选中样品中存在的物相。
在所选定的物相名称上双击鼠标，显示PDF
卡片，按下Save按钮，保存PDF卡片数据;
5）如果样品存在多个物相，在主要相鉴定完成后，选择剩余峰（未鉴定的衍射），做
“Search/Match”，直至全部物相鉴定出来。
6）鼠标右键点击“打印机”图标，显示打印结果，按下“Save”按钮，输出物相鉴定结果。
7）以同样的方法标定其它样品的物相,物相鉴定实验完成。
3物相定量分析
1）在Jade窗口中，打开一个多相样品的衍射谱;
2）完成多相样品的物相鉴定，物相鉴定时，选择有RIR值的PDF卡片;3）选择每个物相的主要未重叠的衍射峰进行拟合，求出衍射峰面积;4）选择菜单“Options|EasyQuantitative”，按绝热法计算样品中两相的重量百分数;5）按下“Save”按钮，保存定量分析结果，定量分析数据处理完成。
计算公式:
4
aaKRIRIa23AlOaK,,W,,babbaKRIR（I，IK）23abbAlO
五实验数据处理
1物相鉴定结果
说明:
已知样品为含Li-Ni-O元素的物质～选择Li、Ni和O元素检索～得
到LiNiO相,
5
已知样品为含Co元素的物质～选择Co元素检索～得到两种Co相,
2定量分析结果
I=,I=,K=,K=1MgZn2AlMgZn2
aaKRIRa23AlOK,,=7.29/6.48=1.125bbbKRIR23AlO
IaW,=59.4aa（I，IK）abb
W,1,W=40.6ba
6
3点阵常数精确测定结果
从以下实验结果图片中可以看到点阵常数测定结果:
六结果与讨论
本次实验采用的仪器为X射线衍射仪～它是按照晶体对X射线衍射的几何原
理设计制造的。
7
布拉格方程是X射线衍射仪最基本的理论基础～也是进行X射线检测最根本
2sindn,,,和重要的理论依据之一。
由知～确定了一组相互对应的θ与λ便可求出一组干涉面的面间距d～当干涉指数互质时～干涉面就代表一族真实的晶面。
因为存在系统消光～并非所有满足布拉格方程的干涉面都有对应的衍射条纹。
为保证能得到足够的衍射谱线以分析～X射线衍射仪使用的是粉末样品～用单色,标识,X射线照射多晶体试样～即多晶体衍射方法～并且同时使样品转动,θ-2θ连动,～设计2:
1的角速度比～目的是确保探测的衍射线与入射线始终保持2θ的关系～即入射线与衍射线以试样表面法线为对称轴～在两侧对称分布,辐射探测器接收到的衍射是那些与试样表面平行的晶面产生的衍射,同样的晶面若不平行于试样表面～即使产生衍射～其衍射线进不了探测器～不能被接受,X射线源由X射线发生器产生～其线状焦点位于测角仪周围位臵上固定不动。
在线状焦点S到试样O和试样产生的衍射线到探测器的光路上还安装有多个光阑以限制X射线的发散,当探测器由低θ角到高θ角转动的过程中将逐一探测和记录各条衍射线的位臵,2θ角度,和强度。
探测器的扫描范围可以从-20º到+165º～这样角度可保证接收到所有衍射线。
在粉末样品的制备过程中～也可能因为球磨时间、压力大小等等使得所制备的样品颗粒尺寸达到纳米级数甚而小到发生晶格畸变。
此时若交付X射线检测～将得不到原始样品的检测结果～因为材料结构已经改变。
但这种情况比较少见～因为一般条件下～球磨达不到这样的效果。
导致样品谱线与标准谱线间的偏差的主要原因是织构的存在。
洛伦兹因子的cosθ部分决定了试样内部的晶粒必须是随机取向的～这时衍射线积分强度公式
才有效。
232,,,eV2,M2（）（）IIPFAe,,,,,,02232RmcV,,,c
1cos2，,2,,,M2IPFAe,（）,相对,,2sincos,,,,,德拜谢乐法,
1cos2，,2,,,2MIPFe,相对,,2sincos,,,,,衍射仪法,
实际上～线材板材甚至天然矿物都有一定程度的晶体定向排布。
材料在加工过程中受到外界的力、热、电、磁等各种不同条件的影响～或在形成后受到不同的加工工艺的影响～会形成择优取向～即织构。
精确测定点阵常数的实验中～实验室采用的是用标准物质进行校正的方法处理系统误差。
选用的标准物质为Si。
进行校正时～运行Jade5.0软件～以Si的标准样品来制作一条随衍射角变化的角度补正曲线。
该曲线制作完成后作为参数保存～此后每次分析样品都将依此曲线消除仪器的系统误差。
补正曲线只需制作一次～因而操作简单方便～但无法获得精度高于标准样品的结果。
在不高于标准样品精确级数的情况下～为获得精确度相对更高更平滑漂亮的曲线～在continue连续扫描选项中减少单位时间扫过的度数即可。
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