计算机在材料科学中的应用_jade

1、王永龙ylwangNJade XRD衍射谱的解析XRD基本原理介绍相的定性分析原理程序界面PDF卡片的导入数据的导入数据的平滑本底的测量与扣除分离K2衍射寻峰相的定量分析Jade3XRD简单原理4劳厄方程：基于原子列散射波的干涉。不易计算布拉格方程：基于原子面散射波的干涉立方系正方系斜方系XRD衍射谱是一条一条的谱线，横坐标可以是22与d值是一一对应关系由d值可以计算晶体结构参数，反之亦然由单晶测得的晶体结构数据可以得到XRD标准衍射谱由物相的XRD衍射谱可以确定物相结构晶胞参数的测定与衍射指标化5三斜晶系（无任何对称要素），也就是任意格子都符合如下关系由此公式可以计算晶胞参数以及hkl的确定

2、6三方晶系：正交晶系：单斜晶系：)cos2cos31 ()cos)(cos(2sin)(1322222222aHLKLKHLKHd22222221cLbKaHdacHLcLbKaHdcos2sinsin112222222222222222341cLaLKHd六方晶系：原理：将几个可能物相的谱相加与实验谱比较以作出鉴定的方法，可以称为合成法。试验数据要求：是数字化的、完整的、扣除本底的（包括无定形相的贡献）的谱，不需要用平滑来除去噪声。该程序对数据质量要求不高，即使多个相的衍射峰有严重重叠时，此法也可使用。多相晶体粉末的定性分析7需要标准谱图需要测试数据定量分析还需要测试仪器校准值 进行计算机自

3、动检索/鉴定需要相应的数据库与之配套。目前国际上有名的机构有如下：国际结晶学联合会（IUCr）粉末衍射专业委员会（CPD）国际衍射数据中心（ICCD）*国际X射线分析学会（IXAS）剑桥晶体学数据中心（CCDC）无机化合物晶体结构数据库（ISCD）蛋白质数据银行（PDB）晶体学公开数据库（COD）数据库、机构8一般通常所用的为ICCD提供的电子版的粉末衍射数据集（PDF）PDF1PDF2* 可以直接导入使用PDF3PDF4 *最新的 只能转换导入作为user卡片库MDI jade 的可用数据库9Jade程序界面10Zoom细节窗口Full预览窗口多个曲线比较设定工具组按住鼠标右键，任意调整高低

4、Jade安装_PDF卡片的导入111.运行“MDI Jade 6.5.exe”安装主程序；2.导入PDF2004卡片1）导入前要保证Jade6.5和PDF2004安装或解压后的地址必须全为英文，不可有中文字符；2）注册表软件注册。%systemroot%syswow64regedit（64位系统）HKEY_LOCAL_MACHINESOFTWARE新建一个项MDI，项内再新建一个license项，新建一个字符串（stringvalue），数值名称为owner，数值数据为登录时的用户名（开始菜单右上角处名称）。Jade安装_PDF卡片的导入12PDF卡片导入，打开软件，点击PDFSetup，自动

5、搜索pdf2.dat 或手动指定全选所有物相分类创建index文件有了标准卡片，还需要XRD实验数据XRD测量参数的设定13DS：发射狭缝（一般1，20以下若衍射峰太多，则使用1/2）SS：防散射狭缝（一般与DS一致）RS：接受狭缝（一般使用0.3mm，越宽，强度越大，但分辨率越低）黄继武，李周编著，多精材料X射线衍射实验原理、方法和应用，冶金工业出版社，2012测量数据的打开14Jade程序界面15无法读取的数据需要importImport设置导入参数16预览和设定待导入文本数据起始行或关键字将此界面参数存为模板每行数据个数Intensity起始字符位置和字符宽度2起始字符位置和字符宽度各列

6、之间分隔符号框内数据对导入结果无影响最新的pdf4卡片是基于数据库sybase的构架。因而其查询和检索可使用sql语言。jade6使用pdf库则是条目形式。一些最新的库卡片，如Li15Si4 pdf#04-015-2208是旧库里所没有的，也没有衍射峰相似的旧卡可以用。因而使用jade6分析的时候会缺失信息。最简单的解决方案就是在有最新pdf4库的仪器测试电脑上，打开icsd最新的库，搜索你关心的卡片，然后转存为xml文件。这个xml文件无法使用已有格式用jade6直接导入如何导入到jade用户自建的卡片库。最新标准卡片数据的导入17最新的pdf4卡片，可以把标准卡片数据存为xml，用ie打开

7、，复制衍射数据，粘贴到excel里，然后再复制粘贴到origin的worksheet里。Xml标准数据的导入 方法一18因为jade导入数据的时候必须每列数据都等宽。所以这里需要设置每列的有效数字为固定值。比如第一列为7.然后将这个上述A-F列复制，export为txt文件。去除选项中的full precision，否则上述格式会被调整。列之间用空格隔开Txt格式设定及导出19Jade： d-I list file import20这里可以在最上两行添加一些说明。第一行是Phase ID第二行是列标题第一行有关键字Phase，字符宽度32，超过会被忽略第三行d-I list行关键字 是2the

8、ta，这里写的2最下方三个分别表示2theta，强度和hkl的第一个字符的所在位置，随后数字是三个值的字符宽。然后点最上面？右方的按钮。导入的参数设定21光盘按钮，可以打开刚import的标准卡片数据。需要另存为xml文件格式使用edit的d-I list file editor用户卡片库22编辑这个文件。可以把数据存为用户库用户卡片库23方法二：Dsp格式如下，也可以自己编辑此文件read方法三用read读入标准卡片的数据在identify里-addtod-IUserfile用户卡片库24点击菜单“Identify Search/Match Setup”jade物相检索/鉴定25首先要搜峰j

9、ade物相检索/鉴定26人工干预左键移动或者增加峰右键去除峰右键，搜峰对话框最小二乘法多项式拟合时所取数据的个数拟合方式：二次还是四次根据峰宽自动调整数据点数去除K2峰然后需要扣除背景jade物相检索/鉴定27拟合背景的函数背景取样间隔从左到右，从密到疏右键，背景对话框Apply之后，再Remove，即可扣除背景本底：非随机高频振荡就称为本底。如非晶体材料散射，狭缝、样品及空气的散射等都可造成本底。第一类：由样品产生的荧光、非相干散射、空气和狭缝的散射、探测器的噪声等造成的，在2范围内呈平滑变化。第二类：是热漫散射，这是由晶体中的原子振动造成的，他使布拉格散射减弱，转变为本底。也随2呈平滑变化

10、。第三类：由样品中所含的非晶成分造成的。本底的测量： Sonneveld和Visser法。 Brkner法（适用于估计含有较多非晶物质样品本底的方法）本底的测定与扣除28 K1和K2的波长是不同的，在样品上，他们各自会产生一套衍射谱，实际得到的谱是这两套谱的叠加。K 1和K 2相差是不大的，如对于Cu靶，K 10.154051nm，K20.154433nm。对于同一个样品，在低角，他们产生的衍射峰的布拉格角（21，22）是很近的，衍射峰分不开，几乎是完全重叠的。随着角的增加， 21和22的差别逐渐增加，两个衍射峰逐渐分开，不完全重叠，使总的衍射峰加宽，变的不对称。在高角，两个衍射峰分开了（部分

11、重叠）， 角相当大时，两个衍射峰可以完全分开。K2衍射的分离29Rachinger替代图解法（R法）以几个假设为基础，不太严格，但简单便于手工操作，流行较广Rachinger法的改进傅立叶变换法K1和K2 衍射分离的方法30最后搜索卡片库物相搜索31左边为待检索卡片库右边为检索条件以上的设置应根据具体情况的不同而加以改变，一般应先大范围的搜索，然后在逐步的缩小搜索范围，直到找到你满意的结果。在一定经验的基础上可进一步进入“S/M”中的“Advanced”对话框，设定所需的搜索要求Tips32Search match 界面33Search match 界面34鼠标选框确定观察的范围Search

12、match 界面35Search match 多个曲线的比较36单个曲线的 位移 强度放大曲线的相消曲线的叠加多曲线分布尺寸放大通过元素种类个数等等限制条件的调整，搜索可能存在的物相可以给出所有元素标准卡片的列表以方便比对K2或者样品位置不准确引起的大角衍射峰位移，可以调整由search match最终可以获得样品由什么材料组成低于5%含量的物质无法检测Search match的作用37噪声：X射线光源的发射波动，空气散射，电子电路中的电子噪声等这些随机的波动，一般表现为幅度不大的随机高频振荡，这些信号通称为噪声。平滑：主要用来排除各种随机波动（噪声）方法：Savitzky-Golay 法（S

13、-G法)。此法等于用多项式对一段数据点进行最小二乘方拟合。被处理的数字谱必须是等间隔采集的，而且是连续的。定量分析的步骤：数据的平滑38数据的平滑39平滑时所取的数据点间隔四次多项式二次多项式平滑整个曲线平滑，并保留峰平滑背景显示1st/2nd导数 二次求导法二次导数法求峰位、峰宽和峰高最小二乘权重数组求导法曲线拟合法峰位及峰形参数的测定40两个图标均可右击峰形拟合对话框对话框jade中峰形修正41左键，配合ctr键，可对拟合结果人工干预拟合峰形函数P-VII函数的指数 P-V函数中洛伦兹组分所占分数显示选项峰形拟合时的一些曲线背景拟合方式精修后的数据替代原始数据全谱窗口按住左键选择峰右击拟合

14、按钮使用Refine即可单峰或者多峰拟合上述两个步骤没有先后顺序全谱或者单峰拟合42晶体无应变时的晶粒尺寸：晶粒尺寸和应变分析的原理43晶体形状因素入射波长布拉格角去卷积参数仪器加宽值如果样品中存在晶格应变，晶粒尺寸：44Size：晶粒尺寸Strain：晶格应变图中直线的斜率和截距可半定量的求得晶格应变和晶粒尺寸晶格尺寸和应力估算45截距算平均尺寸粒径，单位 D值（12）点的阈值(outlier sigma)Strain值为负值时表示结果不合理可以通过D值调整和更好的拟合峰形来解决jade 中晶格常数的计算46选择晶系相应的hkl指数（可手动调整）峰对应的2角（可手动调整）d值保留高阶平行晶面

15、a b cRietveld精修47（1）衍射数据如何采集？衍射数据最好要用步进扫描的方式采集衍射峰最高峰的强度计数最好要达到数万中等强度的衍射峰计数要达到1万左右一般步进扫描的步长要根据衍射峰的半高宽来决定，最好要小于半高宽的5分之一用于精修的衍射数据其扫描范围一般要到120度。（2）背景如何扣除？精修程序大都是用各种函数（如多项式）来拟合背景有的程序（如Fullprof）也可以通过手工选定若干背景点，程序再根据这些选定的背景点拟合出整个背景。一开始精修不知道背景参数，可以先精修少数背景参数，且设它们的初值为零。背景比较平整的数据，可以估计出背景函数中常数项的大概数值人工输入。精修的要求48（3）如何进行两相或多相精修？两相精修中含量较少的相因为衍射强度很低，造成统计误差大，很容易发散。所以最好减少少量相的精修参数个数。先固定其它参数，只修标度因子等最主要的参数，然后逐步尝试精修其余的参数为好。如在两相外，还发现有另外的杂相，要仔细进行物相分析确定另外的相，有时需要通过对其它组成相近、但杂相更多的样品进行物相分析来确定杂相（最可能）是哪些化合物。精修的要求49（4）精修后Rwp多少为合适？一般Rietveld精修程序中都用最小二乘法求算Rwp的极小值，其余的量都是根据相关定义按照公式计算（梁敬魁的粉末衍射法测定晶体结构一书下册798页有各种R因子的定义）。一般Rwp要修到10%左