物质的结构分析XRD.ppt

物质的结构分析 进行物质结构分析方法主要有3大类各种衍射技术直接和精确测定分子和晶体结构的方法各种光谱技术红外光谱 激光拉曼光谱 紫外光在各种状态测定结构 如液体分子模拟 量子力学计算 现代分析测试 材料的结构分析衍射方法X射线衍射 X RayDiffraction XRD 粉末衍射微区 薄膜高温 常温 低温衍射仪四园单晶衍射电子衍射 TransmissionElectronMicroscopy TEM 中子衍射穆斯堡谱 射线衍射 物质的结构分析 测定物质结构的本质 某种波 如微波 红外光 X射线 或某种粒子 如光子 电子 中子等 试样 改变试样中原子或分子的核或电子的某种能态 试样中原子解离或电子电离 入射波 粒子 的散射 衍射或吸收 产生与入射波长不同的波或粒子 得到物质结构的信息 1010101010101010 X射线衍射 可见和拉曼光谱 9 7 5 3 1 1 3 5 Wavenumbers能量增加 紫外 可见 近红外 远红外 微波 顺磁共振 无线电波 Wavelengthinmicrons 核转变 电子跃迁 分子振动 1010101010101010 跃迁 5 3 1 1 3 5 7 9 转动 电磁光谱 核磁共振 红外光谱 紫外 紫外 紫外和拉曼光谱 X射线 XRD分析方法 X 射线物理学基础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XRD图谱的物相鉴定 X射线物理学基础 X射线的产生德国科学家伦琴 1895年使相片底片感光 并有很强的穿透力X射线的应用科学研究 XRD 医疗 透视 技术工程 无损探伤 衍射分析技术的发展 与X射线及晶体衍射有关的部分诺贝尔奖获得者名单 X射线物理学基础 X射线的本质电磁波 波长较短 一般在0 05 0 25nm 劳厄 1914年 晶体衍射实验 X射线具有波粒二相性衍射 可见光一定能量的光量子流h 普朗克常数 6 626 34J SE 能量 P 动量 X射线物理学基础 X射线的产生 X射线物理学基础 X射线的产生原子内的电子分布在一系列量子化的壳层上 按K L M N 递增 最内层的能量最低某层电子的能量当冲向阳极靶的电子具有足够能量将内层电子击出成为自由电子 二次电子 原子 高能的不稳定自发向稳态过渡 X射线物理学基础 X射线的产生K层出现空位 K激发态 L层跃迁至K层 L激发态 E EL EK 能量差以X射线光量子的形式辐射出来 K L层有能量差别很小的亚能级 K 1 K 2特征X射线 X射线物理学基础 靶 试样 X射线物理学基础 物质的结构分析 测定物质结构的本质 某种波 如微波 红外光 X射线 或某种粒子 如光子 电子 中子等 试样 改变试样中原子或分子的核或电子的某种能态 试样中原子解离或电子电离 入射波 粒子 的散射 衍射或吸收 产生与入射波长不同的波或粒子 得到物质结构的信息 多晶粉末衍射分析multiplecrystalpowderdiffractionanalysis 在入射X光的作用下 原子中的电子构成多个X辐射源 以球面波向空间发射形成干涉光 强度与原子类型 晶胞内原子位置有关 衍射图 晶体化合物的 指纹 多晶粉末衍射法 测定晶体的结构 单色X射线源样品台检测器 X射线衍射方程 晶体的点阵结构是一致互相平行且等距离的原子平面衍射的基础 晶体的周期性和对称性衍射光束服从反射定律反射光线在入射平面中 反射角等于入射角则这组晶面所反射的X射线 只有当其光程差是X射线波长的整数倍时才相互增强 出现衍射2dhklsin n 2dhklsin 光程差BD BF 2dhklsin n 只有当d 和 满足布拉格方程式时才能发生衍射 d 面间距 入射线 反射线 与晶面的夹角 入射光的波长 Cu靶 k 1 1 54060 k 2 1 54443 n 整数 反射的级数 晶面组 布拉格方程的讨论 反射 衍射镜面可以任意角度反射可见光X射线只有满足布拉格方程的 角上才能发生反射 因此 这种反射亦成为选择反射 晶面间距d 掠射角 反射级数n 和X射线的波长 四个量 已知三个量 就可以求出其余一个量 布拉格方程的讨论 100 晶面发生二级衍射2d100sin 2 假设在每两个 100 中间均插一个原子分布与之完全相同的面 晶面指数 200 200 的面间距是d 22d100sin 2 2d200 sin 2 2d200sin hkl 的n级衍射可看作 nhnknl 的一级衍射 布拉格方程的讨论 sin 2d 一定时 d减小 将增大 面间距小的晶面 其掠射角必须较大掠射角的极限范围为0 90 但过大或过小都会造成衍射的探测困难 石英的衍射仪计数器记录图 部分 右上角为石英的德拜图 衍射峰上方为 hkl 值 布拉格方程的应用 应用 已知波长的X射线 测量未知的晶体的面间距 进而算出其晶胞参数结构分析 XRD 已知 测 角 计算d 根据标准卡片 判断其物相 晶体结构 根据d f h k l a b c 可计算晶胞参数已知面间距的晶体来反射从样品发射出来的X射线 求得X射线的波长 确定试样的组成元素X射线能量色散谱仪 EDS EDAX 已知d的晶体 单晶硅 测 角 得到特征辐射波长 确定元素 特征X射线分析的基础 X射线衍射 单晶或多晶 晶体与x射线所产生的衍射作用衍射斑点或谱图分析晶体结构确定晶体所属的晶系 物相鉴定 晶体的晶胞参数 晶粒尺寸的大小 结晶度 薄膜的厚度和应力分布等 X射线衍射 实际的衍射谱上并非只在符合Bragg方程的2 处出现强度 在2 的附近也有一定的衍射强度分布 成峰状 也叫衍射峰 符合Bragg方程的2 处为峰顶 可以根据峰的位置 数目和强度得到试样的结构信息 如何根据XRD图谱对试样进行分析 X射线衍射可以得到的信息 物相鉴定定性定量晶胞参数的确定晶面的择优取向生长结晶度的测定晶粒尺寸的测定 谢乐公式 膜厚的测定薄膜的应力分布 物相分析 X射线衍射鉴别样品中的物相石墨和金刚石Al2O3有近20中结构化学分析 光谱分析 AAS X射线光电子能谱 XPX 俄歇电子 AES 二次电子能谱 SIMS X射线能谱仪 EDS 等试样的元素组成 物相分析 物相 纯元素 化合物和固溶体组成的晶相分析的试样一定有结晶物相分析材料 冶金机械 化工地矿 环保医药 食品等 粉末衍射卡片 2 d晶体结构 a b c 卡片 一系列的dhkl对应的强度 标准衍射图谱 2dhklsin 国际通用的标准粉末数据卡 JCPDS 及PCPDFWIN软件 PDF 进行检索 化学式英文名 实验条件 晶体学数据 来源制备等 面间距 衍射强度 晶间指数 PCPDFWIN软件 PDF X射线衍射可以得到的信息 1 物相鉴定1 1定性当X射线通过晶体时 每一种结晶物质都有自己的独特的衍射花样 多种物质以混合物存在时 它的衍射数据d不会改变 与红外不同 避免漏确定一些含量较少的物相的衍射峰 衍射峰的位置2 晶面的面间距dhkl 衍射峰的相对强度 对照标准衍射图谱可以判断该物质 根据布拉格方程 衍射峰的数目 检索 字母检索估计试样中可能的数种物相通过其英文名称将有关卡片找出与待定衍射花样对比 可确定物相数字检索 Hanawalt检索 无法得知试样中物相的信息Hanawalt组合将最强线的面间距d1处于某一范围 如 0 269 0 265nm将面间距从999 99 0 00共分为40组 字母检索 1 根据待测试样元素组成的信息