X射线多晶衍射法

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X射线多晶衍射

指导老师：熊昌民 实验日期:11/03/21

【摘要】

本实验用X射线粉末衍射法测量了样品A、C、D的组分分别为TiO2、1:1的ZnO和TiO2混合物、2:5的ZnO和TiO2混合物，并且测得ZnO薄膜样品的晶面取向为（002），晶粒的大小为295.08A 【关键词】

定性物相分析 定量物相分析 X射线 衍射峰等 【引言】

X射线是波长介于紫外线和 射线之间的一种电磁波，其波长位于0.01~100 之间，而用于晶体结构研究的X射线的波长通常为0.5~2.5 ，这个范围的波长与晶体的点阵面的间距大致相当。X射线多晶衍射分为德拜照相法和衍射仪法， X射线粉末衍射仪法在材料物相的定性、定量测定方面具有明显的优势,如今衍射仪法已经成为记录大多数衍射图的方法。 本实验中采用衍射仪法。目的是学习掌握多晶X衍射粉末衍射仪的原理和基本操作，熟悉定性物相分析的步骤和PDF数据库的使用方法，了解定量物相分析、精确测定晶粒大小测量等实验方法。 【实验原理】 1. X射线管

在实验室中产生X射线最好的方法是利用真空管。在高真空的玻璃管里，被加热的阴极所发射的热电子，经阴极和阳极间的高压电压后告诉撞击到阳极上，阳极为产生X射线的靶源，电子与靶物质发生碰撞而迅速减速并且放出大量的能量，在碰撞过程中产生具有特定波长的X射线连续谱。当电压提高到某一临界值后便会在一定波长出现极强的单色X射线，同时辐射出特定波长的光子，即标识X射线。

在多晶粉末衍射实验中，要用滤光片将无用的连续谱X射线和标识X射线滤掉。 2. 布拉格衍射方程

晶体中原子的排列是有规律的、周期性的，原子间的距离在几埃左右，当波长跟此数

量级相近的X射线入射到晶体上时，位 M 于晶格点阵上的原子将对X射线产生散

射。同一晶面族上入射角相同的反射线 N 在相互叠加时，如果它们的相位相同将 P

产生干涉。如图1所示，M、N、P为

图1 射线在晶面族上的衍射

晶体内间距为d（h,k,l）的某一晶面族，脚标表示晶面族的面指数为h,k,l。入射X射线与该晶面成θ角，M、N、P上的反射线分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ,相邻两平面反射的两条X射线的光程差为

δ=OA-OB=2 d（h,k,l）（1-cos2θ）/sinθ (1)

当光程差为X射线波长的整数倍n时，

2 d（h,k,l）sinθ=nλ， n=1,2,3，··· （2）

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即产生第n级干涉最大值，此式成为布拉格方程。 3. X射线粉末衍射仪法

晶体的粉末X射线衍射图普上各个衍射峰的强度和对应的衍射角是由晶体内部结构决定的。通常衍射峰取决于晶胞的大小和形状，以此可以对样品的组成进行定性物相分析。 定性物相分析

定性物相分析的关键是将获得的未知样品的衍射图普与已知化合物的衍射图普进行一一对比，当未知材料的衍射数据满足一下条件时，便可以确定样品的组成成分：

（1）样品衍射图普中能找到某组分物相应该出现的衍射峰，且其实验的d值与相对 应的已知d值在实验误差范围内是一致的。

（2）所有衍射峰的相对强度顺序应与已知组分物相的强度顺序原则上保持一致。但当所有的样品是薄膜或者由于制备方法不同而使晶粒具有择优取向时，衍射峰的相对强度顺序会有所变化。 定量物相分析

目前常用的定量分析法有内标法、参考强度比法、吸收衍射法等，但本实验采用内标法。对于平板样品，物相α的第i个衍射峰的强度为

Ⅰiα=K iα/μ (3)

上式中μ是物相α的线吸收系数；K iα是与晶体结构因子、衍射角度相关的常数。若样品为多相混合物，则物相α的第i个衍射峰的强度为

Ⅰiα=（K iαX α）/ρα(μ/ρ)m (4)

X α是物相α的质量分数；ρα是物相的密度；(μ/ρ)m是混合体的质量吸收系数。内标法的基本公式为

Ⅰiα/Ⅰjs=k（X α/X s） (5)

此式表明衍射强度比与物相α的质量分数呈线性关系，小标i和j代表不同的晶面hkl，k是内标定标的曲线斜率。 【实验仪器】

本实验用到的是XRD-6000型X射线粉末衍射仪，如图一， 该仪器主要由X射线发生器、测角仪、衍射数据采集及处理系统。

X射线发生器工作电压20—60kV，最大工作电流50mA，焦点光班的实际大小为1mm×10mm，通常采用Cu或Mo为阳极把材料，用来产生X射线，在样品上进行衍射。

测角仪是衍射仪的核心部分，用来准确测量衍射角，扫描半径为185mm，扫描方式有连续扫描和步进扫描，扫描范围很大（2θ扫描范围-6°～163°，θ扫描范围为-180°～180°），扫描速度为0.1°/min～50°/min,可记录精确度很高，衍射范围很宽的衍射数据。

探测器采用NaI闪烁探测器，由闪烁晶体，光电倍增管和放大器组成，X射线经探测器有产生脉冲，单道脉冲幅度分析器课限制被分析的波长，X射线的强度用计数器记录的脉冲 计数率表示，经过频率-电压线性转换，从而记录X强度随θ角的变化。

本衍射仪的运行控制、数据采集与分析都是通过计算机X射线分析实时操作系统完成的。

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图一 实验装置 【实验内容】

依次打开个仪器，放入样品后，开始数据采集，然后对数据进行处理，即寻峰、确定样品组分、确定晶粒大小，最后将数据转化成文本格式。 【数据记录及分析处理】 1. 测量样品A的组分

启动数据处理软件后，得到衍射峰的峰位（如图二）、2θ角和积分响度（如表一），用PDF数据库软件比对后，发现样品A的数据与TiO2的数据匹配，确定样品A为TiO2，调出TiO2的卡片，即可确定每个2θ角对应的晶面（hkl），并且得出样品A为立方结构。

I

2 (degree)

图二 样品A的衍射图谱

2. 确样品C的组分

经数据采集处理后，得到样品C的衍射峰（如图三）、2θ角和积分响度（如表

二），用PDF数据库软件比对后，发现样品C的数据与TiO2+ZnO的数据匹配，确定样品A为TiO2和ZnO的混合物，已知两物质的比例为1:1，分别调出TiO2和ZnO的卡片，即可确定每个2θ角对应的晶面（hkl），并且得出样品C为六角结构。

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表二 样品C的数据

I

2 (degree)

图三 样品C的衍射图谱

3. 测得样品D的组分

经数据采集处理后，得到样品D的衍射峰，2θ角和积分响度（如表三），用PDF数据库软件比对后，发现样品C的数据亦与ZnO+ TiO2的数据匹配，确定样品D为ZnO和TiO2的混合物，因为衍射峰的强度跟所含物质的质量成正比，即所含物质的质量越大，该物质所对应的晶面的衍射峰强度越大，可以确定出样品D中两物质的比例为2:5，具体算法如下：

样品C中，TiO2晶面指数为101对应的衍射峰的强度值和ZnO晶面指数为100对应的衍射峰的强度比值为峰的强度的比值

17681375

11

k=,得比例系数k=1.2858，选样品D中对应的晶面指数的衍射

52

2

1714536

×1.2858=得出ZnO和TiO的质量比为2:5。

4. 确定薄膜样品的晶面及晶粒大小

已知薄膜样品为ZnO，采集数据处理后，对比ZnO卡片得薄膜的取向即晶面指数为（002）， 确定晶粒大小为252.95A，衍射图如图四。

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图四 …… 此处隐藏：1924字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……