第8章X射线衍射分析技术XRD.ppt

1、第八章X射线衍射分析，浙江工业大学现代材料分析与测试技术网络课程多媒体课件(101001315)。演讲人：徐立新(化学工程与材料学院材料系)，内容：8.1 X射线衍射分析的历史和现状8.2射线衍射分析的原理8.3射线衍射分析的结构和组成8.4射线衍射分析的实验技术8.5射线衍射分析在材料研究中的应用，00，8.1 X射线衍射分析的历史和现状，8 . 1 . 1 X射线的发现，图1 (a)威廉康拉德伦琴(b)、(a)、(b)。1895年，德国物理学家伦琴在研究阴极射线时意外发现了X射线，从而获得了第一个诺贝尔物理学奖(1901)。01，8.1.2发现X射线衍射现象，图2 (a)马克斯冯劳厄(b)

2、晶体的X射线衍射图像。1912年，物理学家劳厄发现了晶体的X射线衍射现象，证明了X射线具有波动性，并获得了诺贝尔物理学奖(1914)。(a)、(b)、02、8.1.3布拉格方程的表示、图3 (a)布拉格和他的儿子(b)氯化钠晶体和模型。从1913年到1914年，英国物理学家布拉格和他的儿子成功地用X射线测量了氯化钠晶体的结构并提出了布拉格方程，并共同获得了1915年诺贝尔奖(a)、(b)、03、8 . 1 . 4 DNA双螺旋结构的发现1953年，英国科学家沃森等人成功地用X射线衍射技术揭示了DNA分子具有双螺旋结构，并获得了1962年诺贝尔医学奖。图4 (a)DNA结构发现者克里克和沃森(b

3、)DNA双螺旋结构，04 04，8.1.5齐格勒-纳塔催化剂发明，图5 (a)卡尔瓦尔德马尔齐格勒(b)居里奥纳塔(c)全同立构聚合物链结构模型，1953年，齐格勒和纳塔发明了用于烯烃定向聚合的齐格勒-纳塔催化剂，通过X射线晶体结构分析，极大地促进了塑料和橡胶的工业应用。1962年获得诺贝尔化学奖。自从劳厄证明了X射线衍射效应和布拉格父子提出布拉格方程以来，X射线衍射分析技术有了显著的发展，已经成为固体晶体结构分析最重要和最基本的测试方法，广泛应用于：(1)化学领域；材料制备、改性和加工领域；矿物成分分析；生物和医学领域；其他领域；8 . 1 . 6 X射线衍射分析技术现状，06，8.2 X射

4、线衍射分析原理，8 . 2 . 1 X射线的产生，图6 X射线管结构和X射线产生过程示意图，阴极和阳极之间施加高压电场，阴极在高温下发射的自由电子经过聚焦和加速后以一定方向撞击阳极表面，一部分动能转化为热能，另一部分转化为X射线收集。07，8.2.1 X射线产生，(a)、(b)，图7 (a)X射线管(b)X射线管旋转阳极金属靶(钨)，其通常由具有良好传热性能和高熔点的金属材料制成，如铜、钴、镍、铁、钼等。8 . 2 . 1 X射线的产生图8金属陶瓷X射线管是x光机最重要的部件之一。目前常用的x光管是封闭式电子x光管，大功率x光机一般采用旋转阳极x光管。09、8.2.2 X射线特性，(1)X射线

5、波长范围、X射线区域、紫外线区域、可见光区域、红外线区域、微波区域、无线电区域、0.001 nm、0.01 um、0.4 um、0.75 um、1000 um、10、8.2.2 x射线特性，(2) x射线能量，是X射线能量；x射线的频率。是x射线的动量。是x射线的波长。是x射线的波速；普朗克常数是多少？X射线和其他电磁波一样，具有波粒二象性，可以看作具有一定能量e、动量p和质量m的X射线光子流，11，8 . 2 . 2 X射线的性质，(3)X射线的一般性质，X射线的性质与可见光的性质有很大不同，如：X射线能穿透可见光不能穿透的物体；x射线总是沿直线传播，不受电场和磁场的影响。x光不能用肉眼探测

6、到，但能使照相底片变得敏感；x光可以杀死生物细胞或组织。12，8.2.3 X射线类型，(1)连续X射线，50千伏，40千伏，30千伏，20千伏，X射线相对强度，图9钨在不同加速电压下产生的连续X射线光谱，在高能电子束与阳极靶的碰撞过程中，由于电子运动条件的不同，13，8.2.3类型的X射线，(1)连续X射线，都是电子电荷；是加速电压；普朗克常数是多少？是辐射频率；是光速；是短波极限；是一个常数；是阳极的原子序数；连续的X射线光谱可以由经验公式(6)来描述。在公式中，X射线的短波极限可由公式(5)由加速电压和电子量得到。(2)特征X射线，由于阳极靶物质核外层的K电子被高能电子击昏，形成空位后补充

7、高能电子，剩余能量以X射线形式释放，最终形成单一分布波长的特征X射线。图10钼靶X射线管产生的特征X射线谱(39 kV)，15，8.2.3 X射线类型，(2)特征X射线，即N层电子的能量；是电子的质量。是电子的电荷；主导量子数；是原子序数；屏蔽常数。里德堡常数是多少？是光速；特征X射线的频率可以用公式(8)来描述，其波长与原子序数和核外量子数有关，这是特征。16，8 . 2 . 4 X射线和物质之间的相互作用，图11 X射线和物质之间的相互作用包括散射和吸收。散射包括相干和非相干。吸收是由光电效应引起的。17，8 . 2 . 4 X射线与物质的相互作用，图12铜靶X射线谱线示意图：(a)过滤前

8、；经镍过滤后，其中总和为穿透前后的x光强度、样品线的吸收系数和样品厚度。为了满足X射线衍射分析的需要，我们通常利用吸收极限特性来选择合适的滤光材料，并对X射线连续光谱进行滤光，从而获得单色X射线。8.2.5 X射线衍射原理，当X射线以特定方向入射到晶体结构上时，衍射斑点规则地分布在其背面的负片上，这称为X射线衍射。X射线衍射图、X射线衍射图、应时晶格结构、19、8.2.5 X射线衍射原理，(1)劳厄方程，图13，一维原子柱的衍射图，是原子间距；x射线波长；是入射x射线的夹角；是散射x射线的夹角；当相邻原子的散射X射线的光程差等于入射X射线波长的整数倍时，就会发生衍射。20，8.2.5 X射线衍

9、射原理，(1)劳厄方程，21，8.2.5 X射线衍射原理，(2)布拉格方程，图14中网格反射X射线的条件，是行间距；是入射光线的夹角；入射光线的波长；当相邻晶面产生的反射光线的光程差等于入射光线波长的整数倍时，就会发生衍射。晶体平面，22，8.2.5 X射线衍射原理，(2)布拉格方程，只有当入射光线波长小于最大晶体平面间距的两倍时，才能满足衍射条件。晶面，23，8.2.5 X射线衍射原理，(2)布拉格方程，当和被确定时，衍射级被确定，并且衍射只能发生在某些角度。24，8.2.5 X射线衍射原理，(2)布拉格方程，为了简化布拉格方程，引入了虚晶面(hkl)，它的面间距是实际晶面(HKL)的1/n

10、，这称为干涉面。，25，8.2.5 X射线衍射原理，(2)布拉格方程，立方系统，四方系统，正交系统，(26，8.2.5 X射线衍射原理，(3)X射线衍射强度I是入射射线强度；是散射光的光强；是电子质量；是电子电荷；是入射光线和散射光线之间的角度；对于散射，观测点距离；单个电子的X射线散射强度可以表示为：27，8.2.5 X射线衍射原理，(3)X射线衍射强度I，单个原子的散射射线强度为：即原子散射射线强度；是原子散射因子；是单个原子散射波振幅；是单个电子散射波的振幅；28，8.2.5 X射线衍射原理，(3)X射线衍射强度I，29，8.2.5 X射线衍射原理，(4)X射线衍射光谱的物理意义、衍射峰

11、，图15 X射线衍射光谱，横坐标：衍射角；纵坐标：衍射强度；光谱峰：衍射峰；特定样品的衍射强度随衍射角变化的曲线称为X射线衍射谱。30，8.3 X射线衍射分析仪结构和组成，8.3.1 X射线衍射分析仪，(1)仪器结构总图，X射线衍射分析仪由X射线发生器、衍射测角仪、辐射探测器、测量电路和记录分析系统组成。X射线管、测角仪、计数器、样品、X射线仪器的结构图、31、8.3.1、X射线衍射仪，(1)仪器结构总图，X射线衍射仪由X射线发生器、衍射测角仪、辐射探测器、测量电路和记录分析系统组成。32，8.3.1 X射线衍射仪，(1)仪器结构总图，X射线衍射仪由X射线发生器、衍射测角仪、辐射探测器、测量电

12、路和记录分析系统组成。X射线衍射仪，33，8.3.1 X射线衍射仪，(2)X射线发生器，固定阳极X射线管，旋转阳极靶的X射线管，X射线发生器通常指的是X射线管，其功能是提供一定波长范围内的特征X射线光谱。34，8.3.1 X射线衍射仪，(2)X射线发生器，图16 MSAL石墨弯曲晶体单色仪，因为X射线管产生的X射线通常含有连续的X射线，而且它们的波长分布在一定的范围内，为了获得单一波长的单色X射线，有必要用单色仪对它们进行过滤。35、8.3.1 X射线衍射仪、(3)X射线测角仪系统，图17测角仪示意图，测角仪的内圆和外圆可分别绕中心轴旋转；在测试过程中，样品台固定在测角仪的内圆上，入射光线的入

13、射角通过圆周旋转改变；计数器固定在外圆上，与样品旋转同步测量相应角度的衍射强度。36，8.3.1 X射线衍射仪，(3)X射线测角系统，测角仪的内外圆可以分别绕中心轴旋转；在测试过程中，样品台固定在测角仪的内圆上，入射光线的入射角通过圆周旋转改变；计数器固定在外圆上，与样品旋转同步测量相应角度的衍射强度。图18是测角仪系统37、8.3.1 X射线衍射仪的真实图，(4)探测器和闪烁计数器、发射器、二次电子、光电阴极、光电子、可见光、X射线和高压的结构图，用于接收样品产生的衍射线的强度，并通常将其转换成电信号；常用的探测器包括闪烁计数器和比例计数器。NaI晶体，38，8.3.1 x射线衍射仪，(4)

14、探测器，用于接收样品产生的衍射线的强度，并通常将其转换成电信号；常用的探测器包括闪烁计数器和比例计数器。气体流量比例计数器结构示意图，高压连接器，芯线，外壳，气体出口，x光，气体入口，聚酯薄膜窗口，39，8.3.2 X光衍射仪示例，德国布鲁克公司：http:/www。布鲁克-，40，8.3.2 X射线衍射仪示例，图19 D2CRYSO XRD仪器，41，8.3.2 X射线衍射仪，图20 D2 PHASTER-Desktop XRD仪器，一种小型台式紧凑型X射线衍射仪，配有先进的分析软件和检测系统，适用于工业矿物、地质、化学、机械、电子、机械、电子、电子、电子、电子、电子、电子、电子、电子、电子

15、、电子、电子、电子、电子、电子、电子、电子、电子、电子、电子、电子、电子、电子、电子42、8 . 3 . 2 X射线衍射仪的例子，图21 D4 ENDEAVE XRD仪器，具有先进的一维检测系统，可以通过粉末衍射技术进行多晶X射线衍射分析，并广泛应用于水泥、地质、医药、化学等许多领域。43，8.3.2 X射线衍射仪实例，图22 D8 Focus XRD仪器，通过性能优化，拥有先进的硬件和软件系统，特别适合粉末衍射分析，可根据实际需要选择检测系统和分析软件，并适合多用户实验室环境。44、8 . 3 . 2 X射线衍射仪、图23 D8 ADVER与DAVINCI XRD仪器具有广泛的通用性，几乎可

16、以满足各类粉末衍射分析的需要，并具有操作安全、简单、适用范围广等突出优点。45，8.3.2 X射线衍射仪示例，图24新型D8 DISCOVER XRD仪器，借助实时监控系统和即插即用技术，使得在不同分析目的之间切换非常方便，包括反射、高功率衍射、小角度X射线散射、残余应力和组织结构研究等。46，8.3.2 X射线衍射仪实例，图25 X射线计量用D8生产线，因为X射线衍射分析是非破坏性的，准确可靠的，并能提供纳米尺度材料的关键结构信息，它在半导体工业或研究领域具有显著的优势和意义。该仪器非常适用于半导体制造过程中的在线结构监测和分析。47，8.3.2 X射线衍射仪示例，图26 D8 DISCOVER带GADDS，可用于各种类型的分析，包括小角X射线散射和X射线衍射分析；关键硬件主要包括：激光布局系统和自主创新的高超声心动图检测系统。48，8.3.2 X射线衍射仪实例，图27纳米星XRD仪器，纳米材料的制备和研究是材料领域的一个重要前沿，纳米结构的信息可以通过X射线衍射技术进行分析。该仪器适用于纳米材料的结构分析和评价。49、8.3.2的X射线衍射仪，利用超快理论提供高功率的X射线源，该仪器非常适合对尺寸约为10 um的样品进行衍射分析。另外，借助先进的检测系统，仪器可以获得准确、全面的数据结果。图28超高速溶液XRD，50，8.3.2 X射线衍射仪，可沿XYZ三维灵活