XRD基础知识与分析方法.ppt

在不考虑晶体点阵畸变的影响条件下，无应力微晶尺寸可以由谢乐(Scherrer)公式 计算 ： D：晶粒尺寸（nm） ?：为衍射角 ?：衍射峰的半高宽，在计算的过程中，需转化为弧度（rad） ?：单色入射X射线波长(单位：nm) K：为Scherrer常数，当B为峰的半高宽时 k=0.89；当B为峰的积分宽度时 k=0.94 衍射峰宽 理想结晶粉末XRD图谱中的衍射峰是一条直线，但实际XRD图谱的每一衍射峰都具有一定的宽度。其原因主要有两个：仪器原因造成峰的宽化和粉末微晶产生的宽化。因此，晶粒尺寸D（限1～100nm）与衍射线宽度Bstruct满足谢乐（Scherrer）公式： 其中λ为X射线波长；θhkl为（hkl）衍射线的θ角；Bstruct指由微晶产生的峰宽化大小（单位为弧度）；Bobs指实测谱图中峰的宽度；Bstd指仪器产生的宽化；K为常数，与谢乐公式的推导方法以及Bstruct的定义有关，K值一般取0.89。 某晶面的衍射曲线 (a)晶粒尺寸无限时 (b)晶粒尺寸有限时 No. d/? hkl 2θ/° Bobs/° D/nm 1 2.8165 100 31.772 0.227 46 2 2.6046 002 34.434 0.195 57 3 2.4780 101 36.253 0.227 47 4 1.9131 102 47.528 0.227 49 5 1.6267 110 56.581 0.26 42 6 1.4785 103 62.859 0.26 44 7 1.3789 200 67.922 0.238 50 8 1.3778 112 68.177 0.158 88 9 1.3593 201 69.038 0.317 36 平均值 — — — — 51 ZnO纳米颗粒样品的X射线衍射图谱及晶粒尺寸计算 X’Pert PRO型X射线衍射仪的仪器宽化值Bstd约为0.05°；将ZnO颗粒看作近似球形计算其晶粒尺寸约为51nm。 2.5 应力应变的测量 在异质外延结构中 , 由于外延层和衬底的晶格参数和热膨胀系数不同 , 在外延层中必然会受到晶格失配应力和热失配应力的作用而发生晶格应变——弹性应变和塑性应变 , 这些应变正是薄膜材料中位错产生的根源 , 对于材料的晶体质量有重要影响 。 XRD 在测量应力和应变方面也应用广泛 , 而此时的测量涉及到材料晶格常数的测定 ,因此这里与上部分晶格参数的测量联系紧密。 晶体内某一方向的应变可表示为 , 其中 a 为该方向的晶格参数 , a0 为无应变时的晶格参数。应力与应变可以通过切变模量、弹性系数、弹性模量和泊松比联系起来 , 只是对于不同晶系相应有不同的公式, 所以 , 对晶格参数、弹性模量、切变模量等常数进行精确测量是研究材料应变状态的基础。 3 X射线衍射仪 3.1 X射线衍射分析仪重要组成系统 3.2 X射线衍射仪技术指标 X射线衍射仪实物图 X射线衍射仪系统方框图 3.1 X射线衍射分析仪重要组成系统 3.1.1 X射线发生器 X射线发生器由X射线管和高压发生器两部分组成。X射线管包括灯丝和靶，灯丝产生电子，电子与靶撞击产生X射线；高压发生器产生高达几万伏的电压，用以加速电子撞击靶。 靶包括封闭靶和转靶，封闭靶是把灯丝和靶封闭在真空玻璃球内，封闭靶功率比较低，一般为3KW；转靶需要附加高真空系统，功率较高，通常高于12KW，可提高对含量少、灵敏度低的样品的检出限。 X射线发生装置示意图 X射线发生器结构示意图 3.1.2 测角仪 测角仪包括样品台，狭缝系统，单色化装置，探测器（光电倍增管）等，用于测量样品产生衍射的布拉格角。测角仪的轴动比即样品轴θ和测角轴2θ的同轴转动比为1:2。 测角仪基本结构示意图 1.S1，S2-索拉狭缝； 2.SS-防散射狭缝； 3.RS-接收狭缝； 4.DS-发散狭缝； 测角仪系统 测角仪分类图： 3.1.3 X 射线衍射信号检测系统 X射线衍射仪可用的辐射弹射器有正比计数器、闪烁计数器、Si半导体探测器等，常用的探测器是正比计数器和闪烁计数器，用来检测衍射强度和衍射方向，通过仪器测量记录系统或计算机处理系统可以得到多晶衍射图谱数据。 闪烁器原理图 3.1.4 X 射线衍射图处理分析系统 现代X射线衍射仪都附带安装有专用衍射图处理分析软件的计算机系统, 它们的特点是自动化和智能化。数字化的X射线衍射仪的运行控制以及衍射数据的采集分析等过程都可以通过计算机系统控制完成。 计算机主要具有三大模块： a.衍射仪控制操作系统：主要完成粉末衍射数据的采集等任务； b.衍射数据处理分析系统：主要完成图谱处理、自动检索、图谱打印等任务； c.各种X射线衍