X射线衍射分析仪.ppt

清华大学化学系 表面与材料实验室 X射线衍射分析仪 结构分析 结构分析的种类 结构分析的信息 X射线的产生 X射线衍射原理 产生衍射的必要条件 X衍射仪的结构 样品制备 衍射角度与晶格参数的关系； 物相分析依据 定量分析的精确度 晶粒度的测定 介孔结构的测定 薄膜分析 材料结构分析 结构分析的目的 解析物质的体相结构，表面相结构，原子排列，物相等 结构分析的种类 XRD 结构分析的信息 物相结构确定，晶体结构测定，表面结构等 结构分析的应用 材料物相，晶粒大小，应力，缺陷结构，表面吸附反应等 X’pert MPD Pro X-射线 1895年伦琴（W.C.Roentgen）研究阴极射线管时，发现管的对阴极能放出一种有穿透力的肉眼看不见的射线。由于它的本质在当时是一个“未知数”，故称之为X射线。 X射线衍射分析 发展历史 1895年发现 X射线 1912年劳厄发现了X射线通过晶体时产生衍射现象，证明了X射线的波动性和晶体内部结构的周期性 1912年 ，小布拉格成功地解释了劳厄的实验事实。解释了X射线晶体衍射的形成，并提出了著名的布拉格公式： 2dsinθ＝nλ ，表明用X射线可以获取晶体结构的信息。 1913年老布拉格设计出第一台X射线分光计，并发现了特征X射线以及成功地测定出了金刚石的晶体结构 X射线 X射线是一种波长很短的电磁波，在电磁波谱上位于紫外线和γ射线之间（图1），波长范围是0.05-0.25nm。 特征X射线，韧致X射线 X射线的能量与波长有关 X射线的产生源 同步辐射源产生单色性的强X射线源 X射线是利用一种类似热阴极二极管的装置 X射线是高速电子与原子核碰撞所产生的。 X射线的波粒两象性 X射线的产生 X射线管由阳极靶和阴极灯丝组成，两者之间有高电压，并置于玻璃金属管壳内。阴极是电子发射装置，受热后激发出热电子；阳极是产生X射线的部位，当高速运动的热电子碰撞到阳极靶上，突然动能消失时，电子动能将转化成X射线。 阳极靶的材料一般为：Gr, Fe, Co, Ni, Cu；Mo，Zr等 阴极电压U几十千伏；管电流i:几十毫安；功率一般为4KW，利用转靶技术可以达到12KW。 连续X射线谱 射线谱射线强度波长的关系如图所示 X射线谱由连续谱和特征谱组成. 连续谱，又称白色X射线，它包括一个连续的X射线波长范围，有两个基本指标即λs和λm，总强度I与U、i、z的关系为: 可见，连续X射线的总能量随管电流、阳极靶原子序数和管电压的增加而增大。 特征X射线的产生机理 特征X射线，对于W靶的X光管来讲，保持管流量不变，当管电压增大到20KV以上时，则将在连续谱基础上产生波长一定的谱线特征X射线。特征X射线的特点是，特征波长值是固定的，仅与阳极靶材有关。 当一个外来电子将K层的一个电子击出成为自由电子，这时原子就处于高能的不稳定状态，必然自发地向稳态过渡。此时位于外层较高能量的L层电子可以跃迁到K层。这个能量差ΔE=EL-EK=hν将以X射线的形式放射出去，其波长λ＝h/ΔE仅仅取决于原子序数的常数。 这种由L→K的跃迁产生的X射线我们称为Kα辐射，同理还有Kβ辐射，Kγ辐射。不过离开原子核越远的轨道产生跃迁的几率越小，所以高次辐射的强度也将越来越小。 几种常用阳极靶材料的特征谱参数 X射线的产生 在X射线多晶衍射工作中，主要利用K系辐射，它相当于一束单色X射线。但由于随着管电压增大，在特征谱强度增大的同时，连续谱强度也在增大，这对X射线研究分析是不利的（希望特征谱线强度与连续谱背底强度越大越好）。 经验表明，当U取3-5倍UK时为最佳。 X射线衍射分析 X射线与物质的相互作用 X射线到达物质表面后的能量将分为三大部分，即散射、吸收、透射 X射线被物质散射时可以产生两种散射现象，即相干散射和非相干散射 相干散射和非相干散射 物质对X射线散射的实质是物质中的电子与X光子的相互作用。当入射光子碰撞电子后，若电子能牢固地保持在原来位置上（原子对电子的束缚力很强），则光子将产生刚性碰撞，其作用效果是辐射出电磁波-----散射波。这种散射波的波长和频率与入射波完全相同，新的散射波之间将可以发生相互干涉--相干散射。X射线的衍射现象正是基于相干散射之上的。 当物质中的电子与原子之间的束缚力较小（如原子的外层电子）时，电子可能被X光子撞离原子成为反冲电子。因反冲电子将带走一部分能量，使得光子能量减少，从而使随后的散射波波长发生改变。这样一来，入射波与散射波将不再具有相干能力，成为非相干散射。 是X射线能量损失精细结构谱分析的基础。 X射线的吸收 X射线将被物质吸收，吸收的实质是发生能量转换。这种能量转换主要包括光电效应和俄歇效应。 光电效应 ：当入射X光子的能量足够大时，还可将原子内层电