晶体X射线衍射实验报告

PAGE11中南大学X射线衍射实验报告材料科学与工程学院材料类专业材料1003班级姓名闵杰学号0607100313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实验目的掌握X射线衍射仪的工作原理、操作方法；掌握X射线衍射实验的样品制备方法；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；学会MDIJade6的基本操作方法；学会物相定性分析的原理和利用Jade进行物相鉴定的方法；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。实验原理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２、物相定性分析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记录已知物相的衍射谱，并保存为PDF文件从PDF文件中检索出与样品衍射谱完全相同的物相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：式中A表示N个相中被选定为内标相的物相名称式中右边是两个物相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：,４、点阵常数精确测定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: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：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：式中wi——权重因子，wi=1/YiYoi,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仪器与材料仪器：18KW转靶X射线衍射仪数据处理软件：数据采集与处理终端与数据分析软件MDIJade6实验材料：进行多晶X射线衍射实验可用块体或粉末1.试样制备要求试样的粒度：一般要求用过325目筛子的粉末（约40μm），要测量到良好的衍射线，晶粒大小应为0.1～10μm。试样晶粒过大，实际参加衍射的晶粒数目过少，使衍射强度降低。试样晶粒太小（<0.1μm），会导致衍射线的宽化。试样的大小、厚度与表面质量：试样的表面积大于X射线的照射区。试样的厚度通常为1.5～2mm，以获得最大的接收强度和较好的强度测量重现性。试样表面的平整状况影响所测衍射线的位置、形状与强度。由于X光入射线仅能穿透试样的表面层（如用CuKα照W试样，1.5μm厚的表面所贡献的衍射强度约为总强度85%），因此要特别注意试样的表面质量，必要时可用化学试剂蚀刻试样表面。避免产生择优取向：只有当试样中的晶粒取向是随机分布时，所测试的衍射线相对强度才与理论值大体一致，才具有代表性。为消除组织织构，需要将试样进行退火处理。2.样品制备：固体块状样品需加工出一个18×12mm2平面。要注意加工过程不要引起择优取向，需要应通过适当的退火处理。粉末样品制备的最常用的方法是研磨后过筛，再压片法或涂片法将粉末压制在制样框上压片法：把制样框反放在玻璃平面上，将粉末洒入制样框的窗口中，再将样品压紧，小心地把制样框从玻璃平面上拿起涂片法：把粉末撒在一片大小约25×35×1mm3的显微镜载片上，然后加上足够量的丙酮或酒精，使粉末成为薄层浆液状后再均匀地涂布在制样框上。3.上机实验：使用已经做好的XRD衍射峰照片（组号为13：单相为CaMoO4;多相材料为Co）实验步骤1测量数据准备样品；打开X射线衍射仪；按下“Door”按钮，听到报警；向右拉开“常规衍射仪门”，装好样品；向左轻拉“常规衍射仪门”，使之合上；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按相同的实验条件测量其它样品的衍射数据。2物相鉴定打开Jade，读入衍射数据文件；鼠标右键点击S/M工具按钮，进入“Search/Match”对话界面;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；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；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。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。以同样的方法标定其它样品的物相,物相鉴定实验完成。3物相定量分析在Jade窗口中，打开一个多相样品的衍射谱；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；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；选择菜单“Options|EasyQuantitative”，按绝热法计算样品中两相的重量百分数；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:,五实验数据处理1物相鉴定结果单相：CaMoO4PDF#85-0585:QM=Calculated(C);d=Calculated;I=CalculatedPowellite,synCaRadiation=CuKa1 Lambda=1.54060 Filter=Calibration= 2T=18.654-89.725 I/Ic(RIR)=7.45Ref:CalculatedfromICSDusingPOWD-12++Tetragonal-SingleCrystal,I41/a(88) Z=4 mp=CELL:5.226x5.226x11.43<90.0x90.0x90.0> P.S=tI24(?)Density(c)=4.255 Density(m)=4.00A Mwt=200.02 Vol=312.17 F(30)=999.9(.0000,33/0)Ref:Guermen,E.,Daniels,E.,King,J.S.J.Chem.Phys.,v55p1093(1971)StrongLines:3.10/X4.75/31.93/31.59/23.08/22.61/11.69/12.86/11.85/11.58/1FIZ=023699:NoRvaluegiven.ITFPreparedfromoxides.SeePDF00-029-0351andICSD62219.CrystalStructureRefinementofSrMoO4,SrWO4,CaMoO4,AndBaWO4byNeutronDiffractionfba(I41/AS)ABX42-Theta d(?) I(f) (hkl) Theta 1/(2d) 2pi/d n^218.654 4.7528 33.2 (101) 9.327 0.1052 1.3220 28.745 3.1031 100.0 (112) 14.373 0.1611 2.0248 28.978 3.0787 16.7 (103) 14.489 0.1624 2.0409 31.277 2.8575 11.3 (004) 15.638 0.1750 2.1988 34.290 2.6130 14.3 (200) 17.145 0.1914 2.4046 37.827 2.3764 0.9 (202) 18.913 0.2104 2.6440 39.316 2.2898 7.6 (211) 19.658 0.2184 2.7440 39.846 2.2605 3.7 (114) 19.923 0.2212 2.7796 43.158 2.0944 0.6 (105) 21.579 0.2387 3.0000 45.492 1.9922 2.8 (123) 22.746 0.2510 3.1539 47.088 1.9283 26.4 (204) 23.544 0.2593 3.2584 49.277 1.8477 10.9 (220) 24.639 0.2706 3.4006 51.970 1.7581 0.1 (222) 25.985 0.2844 3.5739 53.140 1.7221 0.6 (301) 26.570 0.2903 3.6485 54.119 1.6932 12.4 (116) 27.059 0.2953 3.7107 56.243 1.6342 3.6 (125) 28.121 0.3060 3.8447 58.051 1.5876 19.4 (312) 29.025 0.3149 3.9578 58.183 1.5843 10.7 (303) 29.092 0.3156 3.9660 59.238 1.5586 0.5 (107) 29.619 0.3208 4.0314 59.531 1.5516 8.1 (224) 29.766 0.3223 4.0496 64.781 1.4379 2.0 (321) 32.391 0.3477 4.3696 65.249 1.4288 1.1 (008) 32.624 0.3500 4.3977 67.550 1.3856 1.2 (305) 33.775 0.3609 4.5348 69.304 1.3547 1.9 (233) 34.652 0.3691 4.6380 70.265 1.3385 1.6 (127) 35.132 0.3735 4.6941 70.623 1.3326 0.3 (118) 35.312 0.3752 4.7149 72.254 1.3065 2.3 (400) 36.127 0.3827 4.8092 74.427 1.2736 0.3 (402) 37.213 0.3926 4.9333 75.388 1.2598 0.9 (141) 37.694 0.3969 4.9876 75.825 1.2536 4.7 (208) 37.913 0.3989 5.0122 76.201 1.2483 8.1 (136) 38.101 0.4005 5.0332 77.243 1.2341 0.5 (109) 38.622 0.4052 5.0914 77.991 1.2241 0.2 (235) 38.995 0.4085 5.1329 79.539 1.2041 3.4 (332) 39.769 0.4152 5.2180 79.654 1.2027 1.5 (413) 39.827 0.4157 5.2243 80.568 1.1913 0.7 (307) 40.284 0.4197 5.2741 80.824 1.1882 3.3 (404) 40.412 0.4208 5.2880 82.472 1.1686 3.4 (420) 41.236 0.4279 5.3768 84.568 1.1449 0.1 (242) 42.284 0.4367 5.4881 85.924 1.1302 2.3 (334) 42.962 0.4424 5.5591 85.924 1.1302 2.3 (228) 42.962 0.4424 5.5591 87.305 1.1159 0.4 (129) 43.653 0.4481 5.6307 88.036 1.1085 0.2 (145) 44.018 0.4511 5.6682 89.725 1.0920 2.2 (1110) 44.863 0.4579 5.7540 说明：已知样品为含有Ca-Mn-O元素的物质，在元素周期表中选择Ca、Mn、O元素，并在已设定的PDF检索库中检索，最后得到一个较好匹配的一个CaMoO4相；2定量分析结果多相：Co说明：已知样品为含有Co元素的物质，在元素周期表中选择Co元素，并在已设定的PDF检索库中检索，最后得到两个较好匹配的一个Co相,说明该物质为两相物质。IAl=,IMgZn2=,KAl=,KMgZn2==62.7%=37.3%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。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。由可知，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置上固定不动。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