實驗十六 X射線衍射分析法一.實驗目的1.了解X射線衍射儀的簡單結構以及使用方法2.掌握X射線粉末法測出晶體物質的晶胞常數(shù)和晶體尺寸的方法二.實驗原理無論是金屬材料,無機非金屬材料還是有機或高分子材料,常包括兩種以至多種化學元素。即使只含一種元素，也可能有相變。多種元素的材料更可能發(fā)生兩種或多種元素的相結合。形成多種中間化合物.多晶材料中存在的物相種類和數(shù)量與它的化學成分,熱處理狀態(tài)諸多因素有關.因此物相的鑒定和定量測定是材料研究中不可缺少的.任何化學分析只能給出材料或物質的化學元素和含量,而不能識別物質存在的相結構狀態(tài),而衍射方法就能解決這個問題。我們所用的D8-ADVANCE是在大氣條件下分析晶體狀態(tài)的X射線衍射儀.此方法是非破壞性的.聚焦于安裝在測角儀軸的樣品上的X射線,受到樣品的衍射.測定,記錄衍射X射線強度,同時跟隨樣品的旋轉角度,繪出射線強度與衍射角相關的峰形譜圖.這就是樣品的X射線圖.利用計算機分析衍射圖中的衍射峰位置及強度,利用這樣的譜圖可以進行樣品的定性分析,晶格常數(shù)測定或應力分析.根據(jù)衍射峰的高度,即強度或面積可以進行樣品的定量分析.可以利用衍射峰的角度及峰形測定晶粒的直徑及結晶度,還可用于進行精密的X射線結構分析.1.晶體的特征晶體的最本質特征是晶體內部結構中，原子或原子團在三維空間排列成周期性的列陣空間點陣。晶體學把能反映對稱性最小的晶格來構成空間格子，這樣的重復單元稱為晶胞，晶胞是平行六面體結構，可以用晶胞常數(shù)a、b、c；、來描述。每個晶體都具有自己獨特的晶體結構，它們構成七大晶系。當射線通過某晶體時，可以利用射線儀直接測定和記錄所產(chǎn)生的晶體衍射方向（角）和衍射線的強度（I值），以2角為橫坐標，I值為縱坐標即得X射線衍射譜圖。根據(jù)所產(chǎn)生的衍射效應，可進行晶體物質的物相分析。2.衍射方法X射線衍射方法是衍射方法中使用最普通的方法3.X射線衍射儀的構造（1）D8-ADVANCE 配置圖（2）X射線管剖面圖示意圖X射線的產(chǎn)生：用繞成螺線形的鎢絲作陰極，通過幾十毫安的電流，陰極因受熱發(fā)射出電子，這些電子再幾萬伏的高壓下加速運動，撞擊到由一定金屬（Cu，F(xiàn)e，Mo等)制成的陽極靶上，在陽極即產(chǎn)生X射線。（3）測角儀幾何光路裝置示意圖（a）S1，S2兩個梭拉狹縫（b）發(fā)射狹縫（DS，0.5，1，2，0.05mm）是限制投射在樣品上的X光束寬度，對于衍射能力小的樣品，衍射的X射線強度小，一般選用較大的發(fā)射狹縫（c）散射狹縫（SS，0.5，1，2）是排除X光路上各種零件所造成的散射和防止空氣的散射（d）接受狹縫（RS，0.15mm,0.3mm）是限制進入檢測器X光寬度的一般物質測試選用DS（1），SS（1），RS（0.3mm）三.儀器及試劑BURKER , D8-ADVANCE ，瑪瑙研缽，藥勺，試樣架，循環(huán)水泵ZnO(樣品)四.實驗步驟1.開機 儀器預熱20-30分鐘后，啟動XRD Commands. 軸的初始化；設定 KV=40, MA=40的工作條件，以Cu靶為輻射線源。2試樣的要求及制備 試樣要求；粉晶、表面平整、晶粒大小15um。制備：取適量試樣于瑪瑙研缽中，充分研磨至無顆粒感。將研磨過的ZnO盡可能均勻地裝入樣品框中，用載玻片把粉末壓緊、壓平、壓實，把多余的粉末削去，固定于衍射儀的樣品室的樣品臺上。3測試 在相應的欄目中設定步長、掃面速度，掃描范圍等各項參數(shù)，啟動 X-射線探測器開始測試，得到衍射譜圖。4數(shù)據(jù)記錄及處理 由JCPDS卡片數(shù)據(jù)庫中查處ZnO的標準衍射譜圖，將實驗數(shù)據(jù)與其比對，分析試樣的物相和純度，并對衍射峰進行指標化。5由實驗數(shù)據(jù)來計算ZnO的晶胞常數(shù)和晶粒尺寸五.注意事項1.儀器中的各種參數(shù)不得隨意更改，需要更改時跟老師說明，使用完后需要將參數(shù)改回2.測試工作完成后，必須等8分鐘后，使X光管充分降溫后才能將冷卻水關閉注： ZnO 的標準結構80-0075 ZnO Zinc Oxide sys: Hexagonal, Lattice: Primitive S.G.: P63mc Cell Parameters: a 3.253, c 5.20977-0191 ZnO Zinc Oxide sys: Cubic, Lattice: Face-centeredS.G.: Fm3m Cell Parameters: a 4.280, 據(jù)X射線衍射理論，在晶粒尺寸小于100nm時，隨晶粒尺寸的變小衍射峰寬化變得顯著，考慮樣品的吸收效應及結構對衍射線型的影響，樣品晶粒尺寸可以用Debye-Scherrer公式計算。Scherrer公式：Dhkl=k/cos其中，Dhkl為沿垂直于晶面（hkl）方向