XRD测量及原理

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X-射线衍射分析应用X-射线一、X-射线的性质①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；②能透过可见光不能透过的物体；③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；④这种射线对生物有很厉害的生理作用。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(连续谱)。二、X-射线的产生特征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。X射线的频率由下式决定：hν＝ω2—ω1式中ω1和ω2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，Kα线相当于电子由L层过渡到K层，Kβ线相当于电子由M层过渡到K层。当然Kβ线比Kα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。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。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。相干散射或称古典散射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。四、X-射线衍射分析原理布拉格方程：nλ=2dsinθ波长为的入射束分别照射到处于相邻晶面的原子上，晶面间距为d，在与入射角相等的反射方向上产生其散射线。当光程差等于波长的整数倍n时，光线就可以出现干涉加强，即发生衍射。衍射线的方向恰好等于原子面对入射线的反射，所以才借助镜面反射规律来描述X射线的衍射几何。必须注意，X射线的原子面反射和可见光的镜面反射不同。一束可见光以任一角度透射到镜面上都可以发生反射，而原子面对X射线的反射不是任意的，只有当，和d三者之间满足布拉格方程时才能发生反射，所以将X射线的这种反射成为选择反射。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）。1.（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。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。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。常用测量方法1.常规连续扫描2.常规步进扫描3.积累步进扫描4.跳跃步进扫描5.分段步进扫描注意事项1.千万不能被射线照射到.2.我们用的是小角度掠入射测量.（小于3度）3.对于薄膜样品，特别要注意其厚度。由于X射线的穿透能力很强，一般在几百微米的数量级，所以适合于比较厚的薄膜样品的分析。薄膜比较平整以及表面粗糙度要小，这样获得结果才具有代表性。4.晶粒大小的计算：Scherrer公式:d=/cos其中半波宽不是测量出的峰位半波宽而应该是测量线形减去仪器线形得到的实际物理线形。单位是弧度。此公式适用范围为5-300nm.