1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上X射線衍射技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用摘 要: X射線衍射技術(shù)的應(yīng)用范圍非常廣泛, 現(xiàn)已滲透到物理、化學(xué)、材料科學(xué)以及各種工程技術(shù)科學(xué)中,成為一種重要的分析方法, 本文介紹了X射線衍射的基本原理、主要應(yīng)用和進(jìn)展。關(guān)鍵詞: X射線衍射 晶粒大小 結(jié)晶度 應(yīng)力 點(diǎn)陣參數(shù)引言物質(zhì)結(jié)構(gòu)的分析盡管可以采用中子衍射、電子衍射、紅外光譜、穆斯堡爾譜等方法, 但是X 射線衍射是最有效的、應(yīng)用最廣泛的手段, 而且X 射線衍射是人類用來(lái)研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的第一種方法. X射線衍射的應(yīng)用范圍非常廣泛, 現(xiàn)已滲透到物理、化學(xué)、地球科學(xué)、材料科學(xué)以及各種工程技術(shù)科學(xué)中, 成為一種重要的實(shí)驗(yàn)方法和結(jié)構(gòu)分析手段

2、, 具有無(wú)損試樣的優(yōu)點(diǎn)。X射線衍射的基本原理由于X 射線是波長(zhǎng)在100A0. 01A之間的一種電磁輻射, 常用的X 射線波長(zhǎng)約在2. 5A0. 5A之間, 與晶體中的原子間距( 1A )數(shù)量級(jí)相同, 因此可以用晶體作為X 射線的天然衍射光柵, 這就使得用X射線衍射進(jìn)行晶體結(jié)構(gòu)分析成為可能.X射線沿某方向入射某一晶體的時(shí)候, 晶體中每個(gè)原子的核外電子產(chǎn)生的相干波彼此發(fā)生干涉.當(dāng)每?jī)蓚€(gè)相鄰波源在某一方向的光程差()等于波長(zhǎng)K的整數(shù)倍時(shí), 它們的波峰與波峰將互相疊加而得到最大限度的加強(qiáng), 這種波的加強(qiáng)叫做衍射, 相應(yīng)的方向叫做衍射方向, 在衍射方向前進(jìn)的波叫做衍射波. = 0的衍射叫零級(jí)衍射, =

3、K的衍射叫一級(jí)衍射, = nK的衍射叫n級(jí)衍射. n不同, 衍射方向也不同.在晶體的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)中, 具有周期性排列的原子或電子散射的次生X射線間相互干涉的結(jié)果, 決定了X射線在晶體中衍射的方向, 所以通過對(duì)衍射方向的測(cè)定, 可以得到晶體的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、晶胞大小和形狀等信息。晶體X射線衍射實(shí)驗(yàn), 一方面揭示了X射線的本質(zhì),說(shuō)明它和普通光波一樣,都是一種電磁波,只是它的波長(zhǎng)較短而已;另一方面證實(shí)了晶體構(gòu)造的點(diǎn)陣?yán)碚?解決了自然科學(xué)中的兩個(gè)重大課題, 更重要的是勞厄、布拉格等人的發(fā)現(xiàn)打開了進(jìn)入物質(zhì)微觀世界的大門,提供了直接分析晶體微觀結(jié)構(gòu)的銳利武器,開辟了晶體結(jié)構(gòu)X射線分析的新領(lǐng)域. 奠定了X射線衍射學(xué)的

4、基礎(chǔ).X射線衍射的主要應(yīng)用X射線衍射技術(shù)發(fā)展到今天, 已經(jīng)成為最基本、最重要的一種結(jié)構(gòu)測(cè)試手段, 其主要應(yīng)用主要有以下幾個(gè)方面:1)物相定性分析即固體由哪幾種物質(zhì)構(gòu)成不同的多晶體物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和組成元素各不相同, 它們的衍射花樣在線條數(shù)目、角度位置、強(qiáng)度上就呈現(xiàn)出差異, 衍射花樣與多晶體的結(jié)構(gòu)和組成有關(guān),一種特定的物相具有自己獨(dú)特的一組衍射線條(即衍射譜) , 反之不同的衍射譜代表著不同的物相。若多種物相混合成一個(gè)試樣, 則其衍射譜就是其中各個(gè)物相衍射譜疊加而成的復(fù)合衍射譜. 因而, 我們可以通過測(cè)定試樣的復(fù)合衍射譜, 并對(duì)復(fù)合衍射譜進(jìn)行分析分解, 從而確定試樣由哪幾種物質(zhì)構(gòu)成。2)物相定量分析物

5、相定量分析的任務(wù)是用X 射線衍射技術(shù), 準(zhǔn)確測(cè)定混合物中各相的衍射強(qiáng)度, 從而求出多相物質(zhì)中各相的含量. 其理論基礎(chǔ)是物質(zhì)參與衍射的體積或者重量與其所產(chǎn)生的衍射強(qiáng)度成正比, 因而, 可通過衍射強(qiáng)度的大小求出混合物中某相參與衍射的體積分?jǐn)?shù)或者重量分?jǐn)?shù), 從而確定混合物中某相的含量. X射線衍射物相定量分析方法有: 內(nèi)標(biāo)法外標(biāo)法絕熱法、增量法、無(wú)標(biāo)樣法、基體沖洗法和全譜擬合法等常規(guī)分析方法。內(nèi)標(biāo)法、絕熱法和增量法等都需要在待測(cè)樣品中加入?yún)⒖紭?biāo)相并繪制工作曲線, 如果樣品含有的物相較多、譜線復(fù)雜, 再加入?yún)⒖紭?biāo)相時(shí)會(huì)進(jìn)一步增加譜線的重疊機(jī)會(huì),從而給定量分析帶來(lái)困難; 外標(biāo)法雖然不需要在樣品中加入?yún)⒖?/p>

6、標(biāo)相, 但需要用純的待測(cè)相物質(zhì)制作工作曲線; 基體沖洗法、無(wú)標(biāo)樣法和全譜擬合法等分析方法不需要配制一系列內(nèi)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和繪制標(biāo)準(zhǔn)工作曲線, 但需要復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算, 如聯(lián)立方程法和最小二乘法等?？傊? X射線衍射方法進(jìn)行物相定量分析3)結(jié)晶度的測(cè)定結(jié)晶度定義為結(jié)晶部分重量與總的試樣重量之比的百分?jǐn)?shù). 現(xiàn)在非晶態(tài)合金應(yīng)用非常廣泛, 如軟磁材料等, 而結(jié)晶度直接影響材料的性能, 因此結(jié)晶度的測(cè)定就顯得尤為重要了. 測(cè)定結(jié)晶度的方法很多, 但不論哪種方法都是根據(jù)結(jié)晶相的衍射圖譜面積與非晶相圖譜面積決定。4)宏觀應(yīng)力的測(cè)定在材料部件宏觀尺度范圍內(nèi)存在的內(nèi)應(yīng)力分布在它的各個(gè)部分, 相互間保持平衡, 這種內(nèi)應(yīng)

7、力稱為宏觀應(yīng)力, 宏觀應(yīng)力的存在使部件內(nèi)部的晶面間距發(fā)生改變, 所以可以借助X射線衍射方法來(lái)測(cè)定材料部件中的應(yīng)力. 按照布拉格定律可知, 在一定波長(zhǎng)輻射發(fā)生衍射的條件下, 晶面間距的變化導(dǎo)致衍射角的變化, 測(cè)定衍射角的變化即可算出宏觀應(yīng)變, 因而可進(jìn)一步計(jì)算得到應(yīng)力大小. 總之, X 射線衍射測(cè)定應(yīng)力的原理是以測(cè)量衍射線位移作為原始數(shù)據(jù), 所測(cè)得的結(jié)果實(shí)際上是應(yīng)變, 而應(yīng)力則是通過虎克定律由應(yīng)變計(jì)算得到.借助X 射線衍射方法來(lái)測(cè)定試樣中宏觀應(yīng)力具有以下優(yōu)點(diǎn): ( 1)不用破壞試樣即可測(cè)量; ( 2)可以測(cè)量試樣上小面積和極薄層內(nèi)的宏觀應(yīng)力, 如果與剝層方法相結(jié)合, 還可測(cè)量宏觀應(yīng)力在不同深度上

8、的梯度變化; ( 3)測(cè)量結(jié)果可靠性高等.5）晶體點(diǎn)陣參數(shù)的確定點(diǎn)陣參數(shù)是晶態(tài)材料的重要物理參數(shù)之一, 精確測(cè)定點(diǎn)陣參數(shù)有助于研究該物質(zhì)的鍵合能和鍵強(qiáng), 計(jì)算理論密度、各向異性熱膨脹系數(shù)和壓縮系數(shù)、固溶體的組分和固溶度、宏觀殘余應(yīng)力大小, 確定相溶解度曲線和相圖的相界, 研究相變過程, 分析材料點(diǎn)陣參數(shù)與各種物理性能的關(guān)系等, 確定點(diǎn)陣參數(shù)的主要方法是多晶X 射線衍射法。X射線衍射的進(jìn)展1) X 射線衍射在薄膜材料中的應(yīng)用人工低維材料的出現(xiàn)是20世紀(jì)材料科學(xué)發(fā)展的重要標(biāo)志, 它所表現(xiàn)出的生命力不僅是因?yàn)樗粩嘟沂境錾羁痰奈锢韮?nèi)涵, 而且更重要的是所發(fā)現(xiàn)的新效應(yīng)不斷地被用來(lái)開發(fā)新的固態(tài)器件, 對(duì)

9、高技術(shù)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響. 薄膜就是一種典型的低維材料. 薄膜的成分、厚度、應(yīng)力分布以及表面和界面狀態(tài)等都會(huì)直接影響材料和器件的性能, 需要在原子尺度上對(duì)材料微結(jié)構(gòu)品質(zhì)進(jìn)行評(píng)估. 除了上述六種X 射線衍射的應(yīng)用適用于薄膜材料分析之外, X射線衍射還可以對(duì)薄膜材料作如下分析:厚度是膜層的基本參數(shù). 厚度的測(cè)量和控制始終是氣相沉積薄膜研究和生產(chǎn)中的主要問題之一. 由于厚度會(huì)產(chǎn)生三種效應(yīng): 衍射強(qiáng)度隨厚度而變, 膜愈薄散射體積愈小; 散射將顯示干涉條紋, 條紋的周期與層厚度有關(guān); 衍射線隨著膜厚度降低而寬化, 因此可從衍射強(qiáng)度、線形分析和干涉條紋來(lái)實(shí)現(xiàn)薄膜厚度的測(cè)定。由兩種材料交替沉積形成的納米多層

10、膜具有成分周期性變化的調(diào)制結(jié)構(gòu), 入射X 射線滿足布拉格條件時(shí)就可能像晶體材料一樣發(fā)生相干衍射. 由于納米多層膜的成分調(diào)制周期遠(yuǎn)大于晶體材料的晶面間距,其衍射峰產(chǎn)生于小角度區(qū)間. 小角度X射線衍射被廣泛用來(lái)測(cè)量納米多層膜的周期數(shù). 因此, 不論是薄膜厚度還是多層膜的周期數(shù)都可以通過X射線衍射測(cè)得。 X射線掠入射衍射( grazing incident d iffract ion, G ID)或散射方法的最大優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)表面和界面內(nèi)原子位移十分敏感, 可以通過調(diào)節(jié)X 射線的掠入射角來(lái)調(diào)整X 射線的穿透深度, 從而用來(lái)研究表面或表層不同深度處的結(jié)構(gòu)分布, 如表面單原子的吸附層、表面粗糙度、密度, 膜

11、層次序, 表面下約1000A深度的界面結(jié)構(gòu)以及表面非晶層的結(jié)構(gòu)等.2) 由多晶材料得到類單晶衍射數(shù)據(jù)確定一個(gè)晶態(tài)材料晶體結(jié)構(gòu)最有力的手段是進(jìn)行單晶X 射線衍射, 通常要求單晶的粒徑在0. 11mm之間, 但是合乎單晶結(jié)構(gòu)分析用的單晶有時(shí)難以獲得, 且所發(fā)現(xiàn)的新材料通常是先獲得多晶樣品, 因此, 僅僅依靠單晶衍射進(jìn)行結(jié)構(gòu)測(cè)定顯然不能適應(yīng)新材料研究快速發(fā)展的狀況. 為加速研究工作的進(jìn)展,以及對(duì)復(fù)合材料和納米材料等的結(jié)構(gòu)研究, 都只能在多晶材料下進(jìn)行研究和測(cè)定其晶體結(jié)構(gòu), 因此, X射線粉末衍射法在表征物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu), 提供結(jié)構(gòu)信息方面具有極其重要的意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。近年來(lái), 利用粉末衍射數(shù)據(jù)測(cè)定

12、未知結(jié)構(gòu)的方法獲得了很大的成功, 這種方法的關(guān)鍵在于正確地對(duì)粉末衍射圖譜進(jìn)行分峰, 確定相應(yīng)于每一個(gè)面指數(shù)( hkl )的衍射強(qiáng)度, 再利用單晶結(jié)構(gòu)分析方法測(cè)定晶體結(jié)構(gòu). 從復(fù)雜的氧化物到金屬化合物都可利用此方法測(cè)定晶體結(jié)構(gòu)。晶體結(jié)構(gòu)測(cè)定還有一些經(jīng)驗(yàn)方法, 如同構(gòu)型法、傅里葉差值法和嘗試法等。對(duì)于較為復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu), 人工嘗試往往受到主觀因素和計(jì)算量大的限制, 存在著可行的模型被忽略的可能性。目前計(jì)算機(jī)技術(shù)在材料相關(guān)系、晶體結(jié)構(gòu)研究和新材料探索中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛, 其中計(jì)算機(jī)模擬法是對(duì)待測(cè)的晶體結(jié)構(gòu), 先給定一個(gè)隨機(jī)的模型, 根據(jù)設(shè)定的某一判據(jù), 指導(dǎo)計(jì)算機(jī)沿正確的方向?qū)ふ医Y(jié)構(gòu)中的原子位置,

13、以獲得初略結(jié)構(gòu), 繼而可采用差值傅里葉合成和立特沃爾德法修正結(jié)構(gòu)。以衍射強(qiáng)度剩差最小為判據(jù)的蒙特-卡洛(Monte-Carlo)法、以體系能量最低為判據(jù)的能量最小法以及模擬退火法和分子動(dòng)力學(xué)模擬法等都屬于粉末衍射晶體結(jié)構(gòu)測(cè)定的計(jì)算機(jī)模擬法結(jié)束語(yǔ)X射線粉末衍射技術(shù)發(fā)展到今天, 已經(jīng)滲透到包括物理、化學(xué)、天文、生命科學(xué)和材料科學(xué)等各個(gè)研究領(lǐng)域中, 成為非常重要的近代物理學(xué)分析方法. 通過X射線衍射分析, 可以測(cè)得試樣的結(jié)晶度、晶粒大小、點(diǎn)陣參數(shù)、試驗(yàn)由哪幾種物質(zhì)構(gòu)成以及各物質(zhì)的含量等, 可以對(duì)薄膜材料進(jìn)行厚度、粗糙度等測(cè)定, 同時(shí)還可以由多晶材料得到類單晶衍射數(shù)據(jù), 從而獲得試樣的晶體結(jié)構(gòu)。參考文

14、獻(xiàn):1 吳. X射線衍射及應(yīng)用 J . 沈陽(yáng)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版) , 1995 ( 4) : 712.2 郭靈虹, 鐘輝. X 射線及在冶金和材料科學(xué)中的應(yīng)用 J . 四川有色金屬, 1994 ( 4) : 1922.3 潘道皚, 趙成大, 鄭載興. 物質(zhì)結(jié)構(gòu)M . 北京: 高等教育出版社, 1998. 570 573.4 南京大學(xué)地質(zhì)學(xué)系礦物巖石教研室. 粉晶X射線物相分析M . 北京: 地質(zhì)出版社, 1980. 103 208.5 儲(chǔ)剛. 含非晶樣品的X 射線衍射增量定量相分析方法 J . 物理學(xué)報(bào), 1998, 47( 7 ) : 1143 1145.6 吳萬(wàn)國(guó), 阮玉忠. X射線衍射無(wú)標(biāo)定量分析法的研討 J . 福州大學(xué)學(xué)報(bào), 1997, 25( 3 ) : 37 40.7 丘利, 胡玉和. X射線衍射技術(shù)及設(shè)備M . 北京: 冶金工業(yè)出版社, 1998. 233 256.8 馮仕猛, 易葵, 趙強(qiáng), 等. 金屬單層