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专业班级 姓 名学号同组者 实验日期 2011 年 10 月 30 日指导教师 评分分评阅人评阅日期 一 一 实验目的实验目的 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 MDI Jade 6 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 二 实验原理实验原理 1 1 X X 射线衍射仪射线衍射仪 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 测角仪圆中心是样品台 样品台可以绕中心轴转动 平板状粉末多晶样品 2 安放在样品台上 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 2 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 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 3 物相定量分析 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 N Ai i A i X A X X K I K I W 式中 A 表示 N 个相中被选定为内标相的物相名称 式中 A X X A K K K 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 3 得 样品中只含有两相 A 和 B 并选定 A 为内标物相 则有 B A B A A A K I I I W A B AAB B B W KII I W 1 点阵常数精确测定 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 222222 sin 2lkhlkh d a hkl 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 cot d 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 衍射角位置引起的误差为 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 2 cioi YYwR i 2 cioi YYwR i 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 三 仪器与材料仪器与材料 1 仪器 18KW 转靶 X 射线衍射仪 4 2 数据处理软件 数据采集与处理终端与数据分析软件 MDI Jade 6 3 实验材料 样品描述 黑色粉末试样 四 四 实验步骤实验步骤 1 1 测量数据测量数据 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 max 2500 型 X 射线衍射仪 10 80 8 min 40KV250mA 7 按相同的实验条件测量其它样品的衍射数据 2 2 物相鉴定物相鉴定 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 Chemistry filter 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 3 物相定量分析物相定量分析 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 Easy Quantitative 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 5 b a b OAl a OAl a b RIR RIR K K K 32 32 a bba a a KII I W 五五 实验数据处理实验数据处理 1 物相鉴定结果 实验 1 鉴定结果 物相为 4 CaMoO PDF 85 0585 QM Calculated C d Calculated I Calculated Powellite syn Ca Mo O4 Radiation CuKa1 Lambda 1 54060Filter Calibration 2T 18 654 89 725I Ic RIR 7 45 Ref Calculated from ICSD using POWD 12 Tetragonal Single Crystal I41 a 88 Z 4 mp CELL 5 226 x 5 226 x 11 43 P S tI24 Density c 4 255Density m 4 00AMwt 200 02Vol 312 17 F 30 999 9 0000 33 0 Ref Guermen E Daniels E King J S J Chem Phys v55 p1093 1971 Strong Lines 3 10 X 4 75 3 1 93 3 1 59 2 3 08 2 2 61 1 1 69 1 2 86 1 1 85 1 1 58 1 FIZ 023699 No R value given ITF Prepared from oxides See PDF 00 029 0351 and ICSD 62219 Crystal Structure Refinement of Sr Mo O4 Sr W O4 Ca Mo O4 And 6 Ba W O4 by Neutron Diffraction f b a I41 AS ABX4 2 Theta d I f h k l Theta 1 2d 2pi d n 2 18 654 4 7528 33 2 1 0 1 9 327 0 1052 1 3220 28 745 3 1031 100 0 1 1 2 14 373 0 1611 2 0248 28 978 3 0787 16 7 1 0 3 14 489 0 1624 2 0409 31 277 2 8575 11 3 0 0 4 15 638 0 1750 2 1988 34 290 2 6130 14 3 2 0 0 17 145 0 1914 2 4046 37 827 2 3764 0 9 2 0 2 18 913 0 2104 2 6440 39 316 2 2898 7 6 2 1 1 19 658 0 2184 2 7440 39 846 2 2605 3 7 1 1 4 19 923 0 2212 2 7796 43 158 2 0944 0 6 1 0 5 21 579 0 2387 3 0000 45 492 1 9922 2 8 1 2 3 22 746 0 2510 3 1539 47 088 1 9283 26 4 2 0 4 23 544 0 2593 3 2584 49 277 1 8477 10 9 2 2 0 24 639 0 2706 3 4006 51 970 1 7581 0 1 2 2 2 25 985 0 2844 3 5739 53 140 1 7221 0 6 3 0 1 26 570 0 2903 3 6485 54 119 1 6932 12 4 1 1 6 27 059 0 2953 3 7107 56 243 1 6342 3 6 1 2 5 28 121 0 3060 3 8447 58 051 1 5876 19 4 3 1 2 29 025 0 3149 3 9578 58 183 1 5843 10 7 3 0 3 29 092 0 3156 3 9660 59 238 1 5586 0 5 1 0 7 29 619 0 3208 4 0314 59 531 1 5516 8 1 2 2 4 29 766 0 3223 4 0496 64 781 1 4379 2 0 3 2 1 32 391 0 3477 4 3696 65 249 1 4288 1 1 0 0 8 32 624 0 3500 4 3977 67 550 1 3856 1 2 3 0 5 33 775 0 3609 4 5348 69 304 1 3547 1 9 2 3 3 34 652 0 3691 4 6380 70 265 1 3385 1 6 1 2 7 35 132 0 3735 4 6941 70 623 1 3326 0 3 1 1 8 35 312 0 3752 4 7149 72 254 1 3065 2 3 4 0 0 36 127 0 3827 4 8092 74 427 1 2736 0 3 4 0 2 37 213 0 3926 4 9333 75 388 1 2598 0 9 1 4 1 37 694 0 3969 4 9876 75 825 1 2536 4 7 2 0 8 37 913 0 3989 5 0122 76 201 1 2483 8 1 1 3 6 38 101 0 4005 5 0332 77 243 1 2341 0 5 1 0 9 38 622 0 4052 5 0914 77 991 1 2241 0 2 2 3 5 38 995 0 4085 5 1329 79 539 1 2041 3 4 3 3 2 39 769 0 4152 5 2180 79 654 1 2027 1 5 4 1 3 39 827 0 4157 5 2243 80 568 1 1913 0 7 3 0 7 40 284 0 4197 5 2741 80 824 1 1882 3 3 4 0 4 40 412 0 4208 5 2880 82 472 1 1686 3 4 4 2 0 41 236 0 4279 5 3768 84 568 1 1449 0 1 2 4 2 42 284 0 4367 5 4881 85 924 1 1302 2 3 3 3 4 42 962 0 4424 5 5591 85 924 1 1302 2 3 2 2 8 42 962 0 4424 5 5591 7 87 305 1 1159 0 4 1 2 9 43 653 0 4481 5 6307 88 036 1 1085 0 2 1 4 5 44 018 0 4511 5 6682 89 725 1 0920 2 2 1 1 10 44 863 0 4579 5 7540 实验 2 鉴定结果 物相为 4332 Fe OOFe和 PDF 87 1166 QM Calculated C d Calculated I Calculated Hematite Fe2 O3 Radiation CuKa1 Lambda 1 54060Filter Calibration 2T 24 149 88 557I Ic RIR 3 27 Ref Calculated from ICSD using POWD 12 1997 Rhombohedral Unknown R 3c 167 Z 6 mp CELL 5 0353 x 5 0353 x 13 7495 P S hR10 GA Density c 5 269Density m 6 63AMwt 159 69Vol 301 90 F 28 999 9 0000 29 0 Ref Sawada H Mater Res Bull v31 p141 1996 Strong Lines 2 70 X 2 52 7 1 69 4 1 84 3 3 68 3 1 49 3 1 45 3 2 21 2 1 31 1 1 60 1 FIZ 082904 REM TEM 24 C DEN Anharmonic temperature factors given ITF Specimen from an unknown locality See PDF 00 033 0664 An electron density residual study of alpha ferric oxide e c R3 CH 8 A2X3 2 Theta d I f h k l Theta 1 2d 2pi d n 2 24 149 3 6824 31 2 0 1 2 12 074 0 1358 1 7063 33 158 2 6995 100 0 1 0 4 16 579 0 1852 2 3275 35 631 2 5176 71 3 1 1 0 17 815 0 1986 2 4957 39 283 2 2916 1 9 0 0 6 19 642 0 2182 2 7419 40 862 2 2066 19 2 1 1 3 20 431 0 2266 2 8474 43 508 2 0783 1 8 2 0 2 21 754 0 2406 3 0232 49 462 1 8412 34 1 0 2 4 24 731 0 2716 3 4126 54 069 1 6947 41 1 1 1 6 27 034 0 2950 3 7076 56 159 1 6365 0 5 2 1 1 28 079 0 3055 3 8395 57 448 1 6028 2 5 1 2 2 28 724 0 3120 3 9202 57 597 1 5990 8 6 0 1 8 28 799 0 3127 3 9295 62 436 1 4862 26 4 2 1 4 31 218 0 3364 4 2277 64 000 1 4536 25 7 3 0 0 32 000 0 3440 4 3226 66 031 1 4137 0 2 1 2 5 33 015 0 3537 4 4445 69 595 1 3498 2 5 2 0 8 34 798 0 3704 4 6550 71 947 1 3113 8 8 1 0 10 35 974 0 3813 4 7915 72 281 1 3061 2 1 1 1 9 36 141 0 3828 4 8108 75 191 1 2626 0 3 2 1 7 37 596 0 3960 4 9765 75 455 1 2588 5 5 2 2 0 37 727 0 3972 4 9913 77 738 1 2275 1 9 0 3 6 38 869 0 4073 5 1189 78 776 1 2139 0 9 2 2 3 39 388 0 4119 5 1762 79 486 1 2048 0 1 1 3 1 39 743 0 4150 5 2152 80 582 1 1911 1 6 3 1 2 40 291 0 4198 5 2749 80 709 1 1896 3 5 1 2 8 40 355 0 4203 5 2818 82 953 1 1630 4 3 0 2 10 41 477 0 4299 5 4025 84 485 1 1458 0 2 0 0 12 42 242 0 4364 5 4837 84 934 1 1409 6 5 1 3 4 42 467 0 4383 5 5073 88 557 1 1033 5 9 2 2 6 44 279 0 4532 5 6948 PDF 89 0950 QM Calculated C d Calculated I Calculated Magnetite Fe3 O4 Radiation CuKa1 Lambda 1 54060Filter Calibration 2T 18 280 89 569I Ic RIR 1 07 Ref Calculated from ICSD using POWD 12 Cubic Unknown Fd 3m 227 Z 8 mp CELL 8 399 x 8 399 x 8 399 P S cF56 Density c 5 190Density m 6 75AMwt 231 54Vol 592 49 F 18 999 9 0000 18 0 Ref Mazzocchi V L Parente C B R 9 J Appl Crystallogr v31 p718 1998 Strong Lines 2 97 X 2 53 2 4 85 2 2 42 2 2 10 1 1 48 1 1 27 1 1 71 1 1 62 1 1 21 1 FIZ 085806 ATF NDS At least one TF implausible Refinement of the ferri and paramagnetic phases of magnetite from neutron multiple diffraction data e d a FD3 MS AB2X4 2 Theta d I f h k l Theta 1 2d 2pi d n 2 18 280 4 8492 18 8 1 1 1 9 140 0 1031 1 2957 3 30 069 2 9695 100 0 2 2 0 15 034 0 1684 2 1159 8 35 417 2 5324 21 0 3 1 1 17 708 0 1974 2 4811 11 37 047 2 4246 17 0 2 2 2 18 524 0 2062 2 5915 12 43 042 2 0998 9 6 4 0 0 21 521 0 2381 2 9923 16 47 126 1 9269 0 1 3 3 1 23 563 0 2595 3 2608 19 53 396 1 7144 1 2 4 2 2 26 698 0 2916 3 6649 24 56 920 1 6164 0 6 5 1 1 28 460 0 3093 3 8872 27 62 503 1 4848 4 9 4 4 0 31 251 0 3368 4 2318 32 65 717 1 4197 0 2 5 3 1 32 859 0 3522 4 4257 35 66 771 1 3998 0 1 4 4 2 33 385 0 3572 4 4885 36 70 905 1 3280 0 1 6 2 0 35 453 0 3765 4 7313 40 73 939 1 2808 0 1 5 3 3 36 969 0 3904 4 9055 43 74 939 1 2662 1 8 6 2 2 37 470 0 3949 4 9622 44 78 898 1 2123 0 4 4 4 4 39 449 0 4124 5 1829 48 81 831 1 1761 0 1 7 1 1 40 915 0 4251 5 3424 51 86 676 1 1224 0 1 6 4 2 43 338 0 4455 5 5982 56 89 569 1 0935 0 1 7 3 1 44 785 0 4573 5 7462 59 2 定量分析结果 10 20 5 2 1 79 5 8 0 Wt Fe2O3 Hematite Fe3O4 Magnetite Quantitative Analysis from Profile Fitted Peaks 5 79 5 20 43 32 OFe OFe W W 六 六 结果与讨论结果与讨论 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 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 本和重要的理论依据之一 由 2 sindn 可知 确定了一组相互对应的 与 便可求出一组干涉面的面间距 d 11 当干涉指数互质时 干涉