材料表征分析技术-4-XRD-2014

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1、材料表征分析技术Materialcharacterizationtechniques屈树新西南交通大学材料科学与工程学院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定量分析•衍射强度X-RayDiffractionstudiesruninseries.Pasp:polyasparticacid(聚天冬氨酸)衍射峰的强度？•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；•物质结构状态与散射(衍射)谱线–自然界

2、中物质常见的结构状态包括：•原子完全无序(稀薄气体)•原子近程有序但远程无序(非晶)•原子近程有序和远程有序(晶体)物质结构状态与散射(衍射)谱线原子完全无序情况，例如稀薄气体。在进行X射线分析时，只能得到一条近乎水平的散射背底谱线。I2θ物质结构状态与散射(衍射)谱线原子近程有序但远程无序情况，例如非晶体材料。由于近程原子的有序排列，在配位原子密度较高原子间距对应的2θ附近产生非晶散射峰。I2θ物质结构状态与散射(衍射)谱线非晶体材料的近程原子有序度越高，则配位原子密度较高原子间距对应的非晶散射峰越强，且散射峰越窄。I2θ物质结构状态与散射(衍射)谱线理想晶体的衍射谱线，是布拉

3、格方向对应的2θ处产生没有宽度的衍射线条。前提是不存在消光现象。I2θ物质结构状态与散射(衍射)谱线实际晶体中由于存在晶体I缺陷等破坏晶体完整性的因素，导致衍射谱线的峰值强2θ度降低，峰形I变宽。2θ物质结构状态与散射(衍射)谱线物质微区不均匀性，例如存在纳米级别的异类颗粒或孔隙，则会在2θ<5o范围内出现相应的漫散射谱线即小角散射现象。I2θ衍射强度衍射积分强度：X射线受晶体中众多电子散射后的干涉与叠加结果。原子在晶胞中位置及原子种类则决定了衍射强度。面积不变衍射强度有两种类型的散射相干散射：波长与入射线波长相同即能量未变化，也称汤姆逊散射非相干散射：波长则大于入射线波长即

4、能量降低。称为康普顿散射•非相干散射不能在晶体中参与衍射，只在衍射谱线上形成强度随sinθ/λ增加而增大的连续背底，•入射波长愈短、被照物质元素愈轻，则这种效应愈显著。–二次特征辐射：当入射X射线将样品原子内层电子击出，从而产生光电效应及光电子。原子被击出内层电子后，将发生外层电子向内层跃迁的过程，同时发生二次特征辐射。X射线衍射可以得到的信息•定量分析•根据衍射峰（线）的强度；•实际晶体不具有理想的完整性；•入射线也不可能完全平行和单色；衍射线衍射峰•在同一实验条件下，衍射的相对积分强度I•I＝M·Lp·F2·e-2M·A*(θ)·(PO)–M:多重性因数；–Lp：洛伦兹偏振因数；–F

5、2：结构因数；–e-2M：温度因数；–A*(θ)：吸收因数；–(PO)：择优取向因数X射线衍射定量分析•因此根据衍射强度，从理论上将无法精确确定混合物中的精确含量；•不仅要求鉴别物相的种类，而且要求测定各物相的相对含量，进行定量分析；•各相的衍射线的强度，随该相含量的增加而提高–各物相对X射线的吸收不同，使得“强度”并不正比于“含量”，而须修正。朗伯－比尔定律•当用一适当的波长的单色光照射吸收物质的溶液时，其吸光度与溶液浓度和透光液层厚度的乘积成正比A＝kcbI=kc–A：吸光度；–k：比例常数，与入射光的波长，溶液的性质、厚度、浓度以及温度有关；–c：溶液浓度；–b：溶液厚度。X射线衍

6、射定量分析•单线条法（外标法、直接对比法）–测量混合样品中欲测相（A相）某根衍射线的强度并与纯A相同一条强度对比，既可定出A相在混合样品中的相对含量–A相的质量分数•WA=IA/(IA)0–如：某样品由αAl2O3和γAl2O3组成，欲测定αAl2O3在混合样品中的质量分数，•先用衍射仪测量纯αAlO某衍射峰的强度（一般用最强线，23但不应有其他衍射峰的重叠），为（I）。A0•再在同样实验条件下测定混合样中αAlO同一根线的强度23I，A–简单但精度稍差。X射线衍射定量分析•内标法–待测试样中含有多个物相–各相的质量吸收系数不同。•先完成工作曲线，确定混合物中的不同组分的含量。X射线衍射

7、定量分析•例：–按不同配比均匀混合A和B相，如100:0，90:10，80:20，70:30，……–分别测试其X射线衍射，计算衍射主极大的峰的积分强度IA/IB，–以IA/IB为纵坐标，A物质含量为横坐标,作工作曲线。–测试未知试样的X射线衍射图谱，计算其中衍射主极大的峰的积分强度IA/IB，–根据工作曲线则可以测得其中组分的含量。工作曲线I/IABI/IAXBXCXC1C2C3C4C5A相含量X射线衍射定量分析•K值法及参比强度法