X射线衍射方法（XRD）

1X射线衍射原理X射线衍射作为电磁波投射到晶体中时，会受到晶体中原子的散射，而散射波就像从原子中心发出，每个原子中心发出的散射波类似于源球面波。由于原子在晶体中是周期排列的，这些散射球波之间存在固定的相位关系，会导致在某些散射方向的球面波相互加强，而在某些方向上相互抵消，从而出现衍射现象。图1X衍射原理示意图每种晶体内部的原子排列方式是唯一的，因此对应的衍射试样是唯一的，类似于人的指纹，因此可以进行物相分析。其中，衍射花样中衍射线的分布规律是由晶胞的大小、形状和位向决定。衍射线的强度是由原子的种类和它们在晶胞中的位置决定。1布拉格方程布拉格方程是X射线在晶体中产生衍射需要满足的基本条件，其反映了衍射线方向和晶体结构之间的关系。图2布拉格方程其中：θ为入射角、d为晶面间距、n为衍射级数、λ为入射线波长，2θ为衍射角图3布拉格方程基本原理注意：（a）凡是满足布拉格方程式的方向上的所有晶面上的所有原子衍射波位相完全相同，其振幅互相加强。这样，在2θ方向上面就会出现衍射线，而在其他地方互相抵消，X射线的强度减弱或者等于零。（b）X射线的反射角不同于可见光的反射角，X射线的入射角与反射角的夹角永远是2θ。2谢乐公式X射线的衍射谱带的宽化程度和晶粒的尺寸有关，晶粒越小，其衍射线将变得弥散而宽化。谢乐公式又称Scherrer公式描述晶粒尺寸与衍射峰半峰宽之间的关系。图4谢乐公式其中：K为cherrer常数，B为衍射峰半宽高，K=0.89，若B为衍射峰积分宽度，k=1，θ为衍射角、λ为x射线波长其中：利用该方程计算平均粒度时（1）为半峰宽度，即衍射强度为极大值一半处的宽度，单位为弧度（2）测定范围3-200nm2X射线衍射设备图5X射线衍射仪作用示意图THEMEANINGOFLIFE在X射线衍射仪的世界里，X射线发生系统（产生X射线）是“太阳”，测角及探测系统（测量2θ和获得衍射信息）是其“眼睛”，记录和数据处理系统是其“大脑”，三者协同工作，输出衍射图谱。图6X射线衍射仪构造图3应用领域01物相分析物相分析是X射线衍射在金属中用得最多的方面，分为定性分析和定量分析。前者把对材料测得的点阵平面间距及衍射强度与标准物相的衍射数据相比较，确定材料中存在的物相；后者则根据衍射花样的强度，确定材料中各相的含量。在研究性能和各相含量的关系和检查材料的成分配比及随后的处理规程是否合理等方面都得到广泛应用02结晶度测定结晶度定义为结晶部分重量与总的试样重量之比的百分数。非晶态合金应用非常广泛，如软磁材料等，而结晶度直接影响材料的性能，因此结晶度的测定就显得尤为重要。根据结晶相的衍射图谱面积与非晶相图谱面积测定结晶度。03纳米材料的粒径表征纳米材料的颗粒度与其性能密切相关。纳米材料由于颗粒细小，极易形成团粒，采用通常的粒度分析仪往往会给出错误的数据。采用X射线衍射线线宽法（谢乐法）可以测定纳米粒子的平均粒径。04晶体取向和织构的测定晶体取向的测定又称为单晶定向，就是找出晶体样品中晶体学取向与样品外坐标系的位向关系。虽然可以用光学方法等物理方法确定单晶取向，但X衍射法不仅可以精确地单晶定向，同时还能得到晶体内部微观结构的信息。一般用劳埃法单晶定向，其根据是底片上劳埃斑点转换的极射赤面投影与样品外坐标轴的极射赤面投影之间的位置关系。透射劳埃法只适用于厚度小且吸收系数小的样品，背射劳埃法就无需特别制备样品，样品厚度大小等也不受限制，因而多用此方法4谱图分析1图谱对比法比较待测样品和已知物相的谱图，可直观地对物相进行鉴定。但进行比较的谱图需在相同的实验条件下获取，该法比较适合于常见相及可推测相的分析。2数据对比法将实测数据(2θ、d、l/I1)与标准衍射数据进行比较，可对物相进行鉴定。3自动检索法建立标准物相衍射数据的数据库(标准PDF卡片)，由计算机按相应的程序进行检索，主要的分析软件有JADE、SearchMatch等。-实例分析-图7PTPA和Cu‐Cu2O/PTPA的XRD图聚合物PTPA除了在20°附近有一个比较宽的吸收峰外，没有其他吸收峰，说明PTPA具有典型的无定形结构负载金属之后的Cu‐Cu2O/PTPA的XRD图则出现了明显的吸收峰。通过用分析软件(Jade)处理并与标准卡片比对可知，在36.5°、42.4°、61.4°和73.5°处的特征峰分别对应Cu2O的(111)、(200)、(220)和(