材料化学课件:2-X射线衍射分析2(1).pptx
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- 材料 化学课件 射线 衍射 分析
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1、1KMgF3的结构分析 从表14中知, 由sin2之比值可以确定 KMgF3 为简单立方格子,可计算出晶格常数 a = 3.937 。可以查得三种离子半径分别为 rK+ 1.33 ,rF- = 1.36 ,rMg2+ = 0.78 。这样,这三种球形离子所占的体积表表14线条线条hklN= h2+k2+l2sin2 计算强度计算强度 实验强度实验强度(1) (2)100 1 0.0080 1 59 01 110 2 0.0157 74 74622 111 3 0.0238 73 27 623 200 4 0.0317 100 100100210 5 0.0394 1 10 04 211 6 0
2、.0472 32 32225 220 8 0.0632 57 5737300,221 9 0.0719 0.1 7 06 310 10 0.1778 14 1477 311 11 0.0874 19 3478 222 12 0.0949 15 157320 13 0.103 0.07 4 0222222sin()4hkla2V = ( 0.783 + 1.333 + 3 1.363 ) = 44(3)格子体积为 (3.973)3 = 62 3。而在球的堆积时还要留一些空隙,这样一个晶胞内只能容纳一个式量的KMgF3。 把重复数为 3 的F放在棱之中点后,对于重复数为 1 的位置,体心和角顶,有
3、两种情况: K+ 在体心、Mg2+ 在角顶,或者相反。从表14中可知,100 线条未出现。我们来看一下在两种 K+,Mg2+分布下F100 的值。43KMgF3的结构分析3当Mg2+ 在角顶(0 0 0),K+ 在体心( )时, Fhkl = fMg2+ + fK+ei( h+k+l ) + fF- (eih + eik + eil ) ,F100 = fMg2+ - fK+ + fF 10 - 18 + 10 = 2 而当K+在角顶,Mg2+ 在体心时, F100 = fK+ - fMg2+ + fF 18 -10 + 10 = 18, 此时衍射较强,但实际并非如此。因此只能是K+ 在体心,
4、Mg2+ 在角顶。2()1jijnihxkylzhkljjFf e1 1 12 2 2 4三、获得晶体衍射花样的基本方法-粉末法 当波长一定的当波长一定的X射线照射多晶体样品时,由于样品射线照射多晶体样品时,由于样品中有无数个晶体,且每个晶体的取向是不同,总中有无数个晶体,且每个晶体的取向是不同,总可以找到一些晶粒中的某个面网,它与可以找到一些晶粒中的某个面网,它与X射线的夹射线的夹角恰好满足布拉格方程,而产生衍射。角恰好满足布拉格方程,而产生衍射。粉末衍射仪的基本构造:粉末衍射仪的基本构造: X射线发生器射线发生器 衍射测角仪衍射测角仪 辐射探测器辐射探测器 测量电路测量电路 计算机系统计算
5、机系统X光管样品台探测器四、四、X 射线衍射分析射线衍射分析 物相分析物相分析 定量分析定量分析 晶胞参数的精确测定晶胞参数的精确测定 晶粒尺寸和点阵畸变的测定晶粒尺寸和点阵畸变的测定 介孔材料、长周期材料的低角度区衍射介孔材料、长周期材料的低角度区衍射 薄膜的物相鉴定及取向测定薄膜的物相鉴定及取向测定 薄膜的反射率、厚度、密度及界面粗糙度测薄膜的反射率、厚度、密度及界面粗糙度测定定1. 物相分析步骤物相分析步骤 获得衍射花样获得衍射花样 计算计算d 和和 I/I1值值 检索检索 PDF 卡片卡片 最后判定最后判定 物相定性相分析原理物相定性相分析原理每一种结晶物质都有自己独特的化学组成和晶体
6、结构。每一种结晶物质都有自己独特的化学组成和晶体结构。没有任何两种结晶物质的晶胞大小、质点种类和质点没有任何两种结晶物质的晶胞大小、质点种类和质点在晶胞中的排列方式是完全一致的在晶胞中的排列方式是完全一致的。因此,。因此,当当 X 射线射线通过晶体时,每一种结晶物质都有自己独特的衍射花通过晶体时,每一种结晶物质都有自己独特的衍射花样样,它们的特征可以用,它们的特征可以用各个反射面的晶面间距值各个反射面的晶面间距值d 和和反射线的相对强度反射线的相对强度I /I1 来表征来表征。9衍射花样的特征用各反射面的晶面间距d 和反射线的相对强度I /I1 表征。面心立方晶体, sin21: sin22:
7、 sin2 3: : sin2k = 3 : 4 : 8 : 11 : 12 : 16 : 19,相应衍射面的指标为111,200,220,311,222,400 。面间距面间距 d 与晶胞的形状和大小有关,相对强度与晶胞的形状和大小有关,相对强度 I/I1 则与质点的则与质点的种类及其在晶胞中的位置有关,种类及其在晶胞中的位置有关,任何一种结晶物质的衍射数任何一种结晶物质的衍射数据据 d 和和I/I1,是其晶体结构的必然反映,即使该物质存在于混,是其晶体结构的必然反映,即使该物质存在于混合物中,它的衍射数据合物中,它的衍射数据 d 和和 I/I1 也不会改变也不会改变,因而可以根据它,因而可
8、以根据它们来鉴定结晶物质的物相。们来鉴定结晶物质的物相。1020304050607080010002000300040005000600070008000 Na2Ta2O6NaTaO3和Na2Ta2O6混晶Intensity2NaTaO3 定性的方法就是将从未知样品中所得到的衍射数据定性的方法就是将从未知样品中所得到的衍射数据 (或图谱或图谱) 与标准多晶体与标准多晶体X射线衍射花样射线衍射花样 (或图谱或图谱) 进行对比,进行对比,就像根据指纹来鉴别人一样,如果二者能够吻合,就表明就像根据指纹来鉴别人一样,如果二者能够吻合,就表明该样品与该标准物质是同一种物质,从而便可做出鉴定。该样品与该标
9、准物质是同一种物质,从而便可做出鉴定。1201020304050607080900100020003000400050006000Intensity/a.u.2/degreeJCPDS粉末衍射卡片粉末衍射卡片(PDF) 定性相分析的基本方法就是定性相分析的基本方法就是将未知物的衍将未知物的衍射花样与已知物质花样的射花样与已知物质花样的 d、I / I1值对照值对照。为。为了使这一方法切实可行,就必须掌握大量已知了使这一方法切实可行,就必须掌握大量已知结晶物质相的衍射花样。哈纳瓦尔特等人首先结晶物质相的衍射花样。哈纳瓦尔特等人首先进行了这一工作,后来美国材料试验学会等在进行了这一工作,后来美国材
10、料试验学会等在 1942 年出版了第一组衍射数据卡片年出版了第一组衍射数据卡片 (ASTM卡卡片片) ,以后逐年增编。,以后逐年增编。1969 年建立了粉末衍射标准联合会这一国际组织年建立了粉末衍射标准联合会这一国际组织 (Joint Committee on Powder Diffraction Standards,JCPDS) ,在各国相应组织的合作下,编辑出版粉末,在各国相应组织的合作下,编辑出版粉末衍射卡片,现已出版了近衍射卡片,现已出版了近 50 组,包括有机及无机组,包括有机及无机物质卡片物质卡片 5 万余张。粉末衍射卡片的形式如图万余张。粉末衍射卡片的形式如图530所示,卡片的内
11、容为:所示,卡片的内容为:(1)1a,1b,1c三数据为三条最强衍射线对应的面间距,1d为最大面间距;(2)2a,2b,2c,2d为上述各衍射线的相对强度,其中最强线的强度为100;(3)辐射光源波长滤波片相机直径所用仪器可测最大面间距测量相对强度的方法数据来源(4)晶系空间群晶胞边长轴率A=a0/b0 C=c0/b0轴角单位晶胞内“分子”数数据来源(5)光学性质折射率光学正负性光轴角密度熔点颜色数据来源(6)样品来源、制备方法、升华温度、分解温度等(7)物相名称(8)物相的化学式与数据可靠性可靠性高-良好-i一般-空白较差-O计算得到-C(9)全部衍射数据 1 1栏栏 1a1a、1b1b、1
12、c1c,三格分别列出粉末衍射谱上最,三格分别列出粉末衍射谱上最强、次强、再次强三强线的面间距;强、次强、再次强三强线的面间距;1d 1d 格中是试样的格中是试样的最大面间距最大面间距( (均以均以nmnm为单位为单位) )。 2 2栏栏 列出上述各谱线的相对强度列出上述各谱线的相对强度(I/I(I/I1 1) ),以最强,以最强线的强度线的强度(I(I1 1) )为为100100。 3 3栏栏 本卡片数据的实验条件。本卡片数据的实验条件。RadRad,所用的,所用的X X射线射线特征谱;特征谱; ,波长;,波长;FilterFilter,滤波片或单色器,滤波片或单色器(mono)(mono);
13、cut offcut off,所用设备能测到的最大面间距;,所用设备能测到的最大面间距;I/II/Il l,测量,测量相对强度的方法;相对强度的方法;DiaDia,照相机直径;,照相机直径;collcoll,光阑狭缝,光阑狭缝宽度。宽度。RefRef,本栏和,本栏和9 9栏中数据所用的参考文献。栏中数据所用的参考文献。 4 4栏栏 物质的晶体结构参数。物质的晶体结构参数。syssys,晶系;,晶系;S.G. S.G. ,空间群;空间群;a a0 0、b b0 0、c c0 0,点阵常数;,点阵常数;A= aA= a0 0 b b0 0 ,C= cC= c0 0b b0 0 , 、 、 ,晶轴间
14、夹角;,晶轴间夹角;Z Z,单位晶胞中,单位晶胞中化学式单位的数目;对单元素物质是单位晶胞的原子化学式单位的数目;对单元素物质是单位晶胞的原子数,对化合物是指单位晶胞中的分子数;数,对化合物是指单位晶胞中的分子数;DxDx,用,用X X射线射线法测定的密度;法测定的密度;V V,单位晶胞的体积。,单位晶胞的体积。 5 5栏栏 物质的物理性质。物质的物理性质。 、n n 、 ,折射率;折射率;signsign,光学性质的正,光学性质的正(+)(+)或负或负( -)( -);2V2V,光轴,光轴间夹角;间夹角;D D,密度;,密度;mpmp,熔点;,熔点;colorcolor,颜色。,颜色。 6
15、6栏栏 其他有关说明,如试样来源,化学成分,测其他有关说明,如试样来源,化学成分,测试温度,材料的热处理情况,卡片的代替情况等。试温度,材料的热处理情况,卡片的代替情况等。 7 7栏栏 试样的化学式及英文名称,化学式后面的数试样的化学式及英文名称,化学式后面的数字表示单位晶胞中的原子数,数字后的英文字母表示布字表示单位晶胞中的原子数,数字后的英文字母表示布拉菲点阵,各字母所代表的点阵是:拉菲点阵,各字母所代表的点阵是: C C 简单立方;简单立方;B B 一一 体心立方;体心立方;F F 一一 面心立方;面心立方;T T 一一 简单四方;简单四方;U U 一一 体心四方;体心四方;R R 一一
16、 简单菱形;简单菱形;H H 一简单六方;一简单六方; O - O - 简单正交;简单正交;Q Q 一一 体心正交;体心正交;P P 一一 底心正交;底心正交;S S 一一 面心正交;面心正交;M M 一一 简单单斜;简单单斜;N N 一一 底底心单斜;心单斜;Z Z 一一 简单三斜。简单三斜。 8 8栏栏 试样物质的通用名称或矿物学名称,有机物试样物质的通用名称或矿物学名称,有机物则为结构式。右上角的则为结构式。右上角的“”号表示本卡片的数据有号表示本卡片的数据有高度可靠性;高度可靠性;“O O”号表示可靠性低;号表示可靠性低;“C C表示衍射数表示衍射数据来自计算;据来自计算;“i i”表
17、示数据比无记号的卡片的数据质表示数据比无记号的卡片的数据质量要高,但不及有量要高,但不及有者。者。 9 9栏栏 晶面间距晶面间距(d)(d)、相对强度、相对强度(I/I(I/I1 1 :以最强线:以最强线的强度的强度 I I1 1 为为100)100)和衍射指数和衍射指数hklhkl值。值。 1010栏栏 卡片编号,短线前为组号,后为组内编号,卡片编号,短线前为组号,后为组内编号,卡片均按此号分组排列。卡片均按此号分组排列。 图图16(16(下一页下一页) )是是 Si Si 的标准的标准 JCPDS JCPDS 卡片的格式,卡片的格式,对照该卡片可以加深对上述对照该卡片可以加深对上述图图15
18、15中内容的理解。中内容的理解。26粉末衍射卡片索引粉末衍射卡片索引 JCPDS JCPDS 卡片的数量是极大的,要想顺利地利用卡片的数量是极大的,要想顺利地利用卡片进行定性分析,必须查找索引,经检索后方能卡片进行定性分析,必须查找索引,经检索后方能取到需要的卡片。目前常用的索引有如下几种。取到需要的卡片。目前常用的索引有如下几种。 (1)哈纳瓦尔特哈纳瓦尔特 (Hanawalt) 索引索引 它是一种按它是一种按 d 值编排的数字索引。当被测物质的化学成分值编排的数字索引。当被测物质的化学成分完全不知道时,可用这种索引。完全不知道时,可用这种索引。此索引用此索引用 Hanawalt组合法编排组
19、合法编排衍射数据。衍射数据。d d值值按按强度递减顺序强度递减顺序排成一行。排成一行。按照排在第一位的按照排在第一位的最强线的最强线的d值分成值分成51个区,例如个区,例如 9.998.00,7.996.00,5.995.00,4.994.60,等(单位为等(单位为 0.1nm),同一区内),同一区内按第二位的按第二位的 d 值自大至小排列。值自大至小排列。d 值下的脚标是以最强线的强值下的脚标是以最强线的强度为度为 10 时的相对强度,最强线的脚标为时的相对强度,最强线的脚标为“ x ”。在。在 d 值数列后值数列后面给出物质的化学式及面给出物质的化学式及 JCPDS 卡片的编号。卡片的编号
20、。2.09x 2.559 1.608 3.488 1.375 1.745 2.384 1.403 A1203 10173d值值相对强度相对强度28有时由于试样制备及实验条件的差异,可能被测结晶物质有时由于试样制备及实验条件的差异,可能被测结晶物质相的最强线并不一定是相的最强线并不一定是 JCPDS 卡片中的最强线。在这种情卡片中的最强线。在这种情况下,如果每个被测结晶物质相在索引中只出现一次,就况下,如果每个被测结晶物质相在索引中只出现一次,就会给检索带来困难。为了减少由于强度测量值的差别所造会给检索带来困难。为了减少由于强度测量值的差别所造成的困难,一种物质可以多次在索引的不同部位上出现。成
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