物质的结构分析

物质的结构分析第1页，共36页，2023年，2月20日，星期日现代分析测试材料的结构分析衍射方法X射线衍射（X-RayDiffraction，XRD）粉末衍射微区、薄膜高温、常温、低温衍射仪四园单晶衍射电子衍射（Transmission

ElectronMicroscopy，TEM）中子衍射穆斯堡谱Γ射线衍射第2页，共36页，2023年，2月20日，星期日物质的结构分析测定物质结构的本质某种波，如微波、红外光、X射线；或某种粒子,如光子、电子、中子等试样改变试样中原子或分子的核或电子的某种能态试样中原子解离或电子电离入射波（粒子）的散射、衍射或吸收产生与入射波长不同的波或粒子得到物质结构的信息第3页，共36页，2023年，2月20日，星期日10 10 10 10 10 10 10 10X射线衍射可见和拉曼光谱97531-1-3-5Wavenumbers能量增加紫外可见近红外远红外微波顺磁共振无线电波Wavelengthinmicrons核转变电子跃迁分子振动10 10 10 10 10 10 10 10跃迁-5-3-113579转动电磁光谱核磁共振红外光谱紫外紫外紫外和拉曼光谱X射线第4页，共36页，2023年，2月20日，星期日XRD分析方法X-射线物理学基础X-射线与物质的相互作用X-射线衍射分析原理X-射线衍射分析应用XRD图谱的物相鉴定第5页，共36页，2023年，2月20日，星期日X射线物理学基础X射线的产生德国科学家伦琴，1895年使相片底片感光，并有很强的穿透力X射线的应用科学研究(XRD)医疗（透视）技术工程(无损探伤)第6页，共36页，2023年，2月20日，星期日衍射分析技术的发展与X射线及晶体衍射有关的部分诺贝尔奖获得者名单

第7页，共36页，2023年，2月20日，星期日X射线物理学基础X射线的本质电磁波，波长较短，一般在0.05－0.25nm;劳厄，1914年，晶体衍射实验；X射线具有波粒二相性衍射：可见光一定能量的光量子流h:普朗克常数＝6.626－34J•SE:能量；P：动量第8页，共36页，2023年，2月20日，星期日X射线物理学基础X射线的产生？第9页，共36页，2023年，2月20日，星期日X射线物理学基础X射线的产生原子内的电子分布在一系列量子化的壳层上，按K、L、M、N……递增；最内层的能量最低某层电子的能量当冲向阳极靶的电子具有足够能量将内层电子击出成为自由电子（二次电子）；原子：高能的不稳定自发向稳态过渡：第10页，共36页，2023年，2月20日，星期日X射线物理学基础X射线的产生K层出现空位，K激发态；L层跃迁至K层，L激发态；ΔE=EL-EK,能量差以X射线光量子的形式辐射出来；KαL层有能量差别很小的亚能级，Kα1、

Kα2特征X射线第11页，共36页，2023年，2月20日，星期日X射线物理学基础靶试样第12页，共36页，2023年，2月20日，星期日X射线物理学基础第13页，共36页，2023年，2月20日，星期日物质的结构分析测定物质结构的本质某种波，如微波、红外光、X射线；或某种粒子,如光子、电子、中子等试样改变试样中原子或分子的核或电子的某种能态试样中原子解离或电子电离入射波（粒子）的散射、衍射或吸收产生与入射波长不同的波或粒子得到物质结构的信息第14页，共36页，2023年，2月20日，星期日多晶粉末衍射分析

multiplecrystalpowderdiffractionanalysis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；衍射图：晶体化合物的“指纹”；多晶粉末衍射法：测定晶体的结构；单色X射线源样品台检测器第15页，共36页，2023年，2月20日，星期日X射线衍射方程晶体的点阵结构是一致互相平行且等距离的原子平面衍射的基础——晶体的周期性和对称性衍射光束服从反射定律反射光线在入射平面中，反射角等于入射角则这组晶面所反射的X射线，只有当其光程差是X射线波长的整数倍时才相互增强，出现衍射2dhklsinθ＝nλ第16页，共36页，2023年，2月20日，星期日2dhklsinθ＝λ光程差BD＋BF＝2dhklsinθ＝nλ;只有当d、θ和λ满足布拉格方程式时才能发生衍射。d:面间距；θ：入射线（反射线）与晶面的夹角；λ：入射光的波长，Cu靶：λkα1=1.54060,λkα2=1.54443；n：整数，反射的级数晶面组第17页，共36页，2023年，2月20日，星期日布拉格方程的讨论反射≠衍射镜面可以任意角度反射可见光X射线只有满足布拉格方程的角上才能发生反射，因此，这种反射亦成为选择反射。晶面间距d,掠射角，反射级数n,和X射线的波长λ四个量，已知三个量，就可以求出其余一个量。第18页，共36页，2023年，2月20日，星期日布拉格方程的讨论(100)晶面发生二级衍射2d100sinθ＝2λ假设在每两个（100）中间均插一个原子分布与之完全相同的面，晶面指数（200）（200）的面间距是d/22d100sinθ＝2×(2d200)sinθ=2λ2d200sinθ＝λ(hkl)的n级衍射可看作(nhnknl)的一级衍射第19页，共36页，2023年，2月20日，星期日布拉格方程的讨论sin＝λ/(2d)λ一定时，d减小，将增大；面间距小的晶面，其掠射角必须较大掠射角的极限范围为0°-90°，但过大或过小都会造成衍射的探测困难石英的衍射仪计数器记录图（部分）*右上角为石英的德拜图，衍射峰上方为（hkl）值，第20页，共36页，2023年，2月20日，星期日布拉格方程的应用？第21页，共36页，2023年，2月20日，星期日应用已知波长的X射线，测量未知的晶体的面间距，进而算出其晶胞参数结构分析（XRD）已知，测角，计算d；根据标准卡片，判断其物相（晶体结构）根据d=f(h,k,l,a,b,c,α,β,γ,)可计算晶胞参数已知面间距的晶体来反射从样品发射出来的X射线，求得X射线的波长，确定试样的组成元素X射线能量色散谱仪(EDS,EDAX)已知d的晶体（单晶硅），测角，得到特征辐射波长，确定元素，特征X射线分析的基础第22页，共36页，2023年，2月20日，星期日X射线衍射(单晶或多晶)晶体与x射线所产生的衍射作用衍射斑点或谱图分析晶体结构确定晶体所属的晶系（物相鉴定）、晶体的晶胞参数、晶粒尺寸的大小、结晶度、薄膜的厚度和应力分布等第23页，共36页，2023年，2月20日，星期日X射线衍射实际的衍射谱上并非只在符合Bragg方程的2处出现强度，在2的附近也有一定的衍射强度分布，成峰状，也叫衍射峰。符合Bragg方程的2处为峰顶。可以根据峰的位置、数目和强度得到试样的结构信息。第24页，共36页，2023年，2月20日，星期日如何根据XRD图谱对试样进行分析?第25页，共36页，2023年，2月20日，星期日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第26页，共36页，2023年，2月20日，星期日物相分析X射线衍射鉴别样品中的物相石墨和金刚石Al2O3有近20中结构化学分析、光谱分析（AAS）、X射线光电子能谱（XPX）、俄歇电子（AES）、二次电子能谱（SIMS）、X射线能谱仪（EDS）等