實用、有趣、乾貨
2019.8.24
之前，我們分享了一系列教程
科研教程|SEM構成及制樣要求（知識點彙集）
軟件|CasaXPS安裝包、安裝教程、基本操作！
今天，我們分享關於
X射線衍射的一些知識總結
X射線衍射(XRD)是什麼？從中我們可以獲取什麼信息？
XRD 即X-ray diffraction 的縮寫，中文翻譯是X射線衍射，通過對材料進行X射線衍射，分析其衍射圖譜，獲得材料的成分、材料內部原子或分子的結構或形態等信息的研究手段。多晶X射線衍射儀主要由四個部分構成：1) X 射線發生器(產生X射線的裝置);2) 測角儀(測量角度 2θ 的裝置); 3) X射線探測器(測量X射線強度的計數裝置); 4) X 射線系統控制裝置(數據採集系統和各種電氣系統、保護系統等).
XRD可以進行定性分析和定量分析。
定性分析：根據X射線衍射譜的特點，可以判斷物相是否存在，可以分為單一物相的鑑定或驗證和混合物相的鑑定；定量分析：可以根據衍射線的強度分佈情況，判斷各個物相的相對含量。 X射線如何產生？有什麼特點？產生原理：高速運動的電子與物體發生碰撞時，發生能量轉換，其中一小部分（1%左右）能量轉變為X射線，而絕大部分（99%左右）能量轉變為熱能使得物理溫度升高。產生的條件：a、有自由電子，並可以使得電子做定向的告訴運動；b、在電子運動的路徑上設置一個障礙物，使電子突然減速或停止。如下圖所示為X衍射儀中的X射線管，是多晶X射線衍射儀產生X射線的核心裝置。
X 射線管的實質是個真空二極管，其陰極是鎢絲，陽極為金屬片。在陰極兩端加上電流之後，鎢絲髮熱，產生熱輻射電子。這些電子在高壓電場作用下被加速，轟擊陽極（又稱靶），產生X射線（此過程產生大量熱量，為了保護靶材，必須確保循環水系統工作正常）。常見的陽極靶材有：Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Ag, W,最常用的是 Cu 靶。
X射線特點有什麼？
1）波長範圍0.001~10nm，在電磁波譜上處於紫外與γ射線之間，適用於衍射分析的X射線波長在0.05~0.25nm。
2）X射線穿透能力很強，可以穿透2~3cm厚的木板，1.5cm的鋁板，但1.5cm厚的鉛板可以完全擋住X射線。
3）X射線可以在晶體中產生衍射花樣，對衍射花樣進行分析可以確定晶體結構，成為研究物質結構的主要手段。
X 射線管發生出來的不是純淨的單色光，包含多種波長的射線，最主要的是 K 系射線。K 系射線是指陰極電子碰撞陽極，使陽極電子產生 K 激發，擊走 K 層電子後，L 層或 M 層電子填充 K 層電子而產生的 X 射線。K 系射線又可以細分為 Kα（L 層電子填充）和 Kβ（M 層電子填充）兩種波長略有差異的兩種射線。而 X 射線衍射儀要求使用單色 X 射線。因此，需要在 XRD 測試時把後者除掉，傳統的方法是在光路上加入一個濾波片（如 Ni）。現在一般使用銅靶，在光路上增加一個石墨晶體單色器來去除Kβ射線。單色器可以去除衍射背底，也可以去除 Kβ射線的干擾。Cu 的特徵譜線波長為：Kα1(1.54056 Å)，Kα2 (1.54439 Å)，Kβ1 (1.39222 Å)。對於銅靶，Kα 波長取 Kα1 與 Kα2 的加權平均值，其值為1.54184 Å(布拉格方程和謝樂公式中的λ)。
X射線衍射儀原理是什麼？
讓連續的X射線照射到晶體上，且在晶體後面放一黑紙包著的照相底片來探測X射線，會發現底片上存在有規律分佈的斑點，即
相干散射干涉加強。
具體過程可歸納為：X射線照射到晶體後產生散射，散射的X射線在空間傳播途中相互疊加，在不同傳播方向產生離散的光強分佈空間。
XRD如何定性和定量分析？
每種結晶物質都有自己特定的晶體結構參數，如點陣類型、晶胞大小、原子數目和原子在晶胞中的位置等。X射線在某種晶體上的衍射必然反映出帶有晶體特徵的特定衍射花樣（衍射位置、衍射強度）。為了強調 XRD 譜圖本身的重要性，採用合金的形成與否作為例子進行簡單地介紹。
判斷依據：如果 A 和 B 形成了均一單相合金結構，那麼 A-B 合金的特徵衍射峰介於 A 和 B 之間，且峰型對稱；而如果 A，B 不形成合金，A-B 複合物的特徵衍射峰由 A 和 B 的衍射峰按比例疊加而成，不會發生衍射峰的偏移；如果 A,B 部分形成合金，則既有合金相的衍射峰也有 A，B 單獨的衍射峰。
上圖a 中給出了 Pd/m-SiO2, Pd/ m-SiO2 和 Pt1Pd3/ m-SiO2 的 XRD 圖譜。請注意：很多時候，XRD 全譜很難直觀地表現衍射圖樣的變化，而為了更好地說明情況，一般將某個特徵峰（常見為主峰）進行放大（也可以在 XRD 測試時，只選取某個較小範圍進行測試），然後比較其衍射峰位置。從圖a 的插圖(對 111 特徵峰的放大)可以看出，Pt1Pd3 的衍射峰介於 Pd 和 Pt 之間，且峰型對稱，說明形成的是 PtPd 合金。而b 圖中 Au50Pt50-RT 沒有形成合金結構，其特徵衍射峰由 Au 和 Pd 的衍射峰疊加組成；而 Au50Pt50-350 的特徵衍射峰很對稱，且介於 Au 和 Pt 之間，說明形成了均一單相合金結構。這個對比實驗可以用來說明高溫焙燒對於合金形成的重要作用。
微晶尺寸如何計算？基本原理：當X射線入射到小晶體時，其衍射線條將變得彌散而寬化，晶體的晶粒越小，X射線衍射帶的寬化程度越大。Sherrer公式描述的就是晶粒尺寸與衍射峰半峰寬之間的關係。
該公式使用時應當注意：1）半峰寬β為衍射強度為極大值一半處的寬度，單位以弧度表示；2）計算出來的晶粒大小，只代表晶面法線方向的值，與其他方向的晶粒大小無關。3）k為影響因子，對球狀的粒子k=1.075，立方晶體k=0.9，一般要求不高時取k=1；4）測定範圍為3~200nm。
XRD不同的靶材，兩者的譜圖會一樣嗎？
不同的靶材，其特徵波長不同，根據Bragg方程，某一間距為d的晶面族其衍射角講不通，各間距的晶面族的衍射角將表現出有規律的改變。因此，使用不同的靶材所得到的衍射圖上的衍射峰的位置是不相同的，但衍射峰的變化是有規律的。
一種晶體自有一套d值是其結構固有的，可以作為該晶體的標誌性參數，無論使用何種靶材，從衍射圖樣得到的將是一套的d值，因此有對比試驗，不建議未做完更換試驗的儀器。
XRD應用實例定性分析物相
一張衍射圖譜上衍射線的位置(方向)僅和原子排列週期性有關；衍射線的強度則取決於原子種類、含量、相對位置等性質；衍射線的位置和強度就完整地反映了晶體結構的二個特徵，從而成為辨別物相的依據。該圖譜的峰值與峰位均與六方纖鋅礦結構ZnO(b)一一對應(JCPDSno. 36-1451)。沒有其他雜質相峰，其2θ角在31.7，34.4，36.2，57.3，62.5°處存在衍射峰，分別對應於ZnO的(100)， (002)，(101)，(110)和(103)晶面，說明樣品(a)為六方晶系的ZnO，並且各峰峰形尖銳，說明產物結晶完整。
鑑定物相
下圖所示是ZnO納米片負載不同含量的金納米粒子的XRD圖譜，相比於純ZnO，隨著負載量的依次增加，雜化材料出現了明顯的Au(JCPDS No. 04-0784)的特徵衍射峰，因此認為Au成功負載於ZnO表面。
結晶與取向判斷（寬隆峰表示無定型，尖銳峰表明存在結晶或近晶）
同種結晶化合物的兩種不同晶型
插層材料表徵晶面間距變化
下圖所示為原料高嶺土和各步反應產物的XRD譜圖，從圖中可以看出，用DMSO、KAc和KDP改性，高嶺土的001晶面的衍射峰相應地向低角度移動。其中，高嶺土的001晶面出現在2θ =12.4°，對應的層間距為0.716 nm；DMSO改性後向低角度移動到7.8°，12.4°的峰基本消失，這表明DMSO已經插層進入到高嶺土層間。(晶面間距變大，衍射角變小)
定量分析
每種物相的衍射線強度隨其相含量的增加而提高，由強度值的計算可確定物相的含量。定量分析可用來確定混合物中某一化合物的含量。如：XRD圖譜的其他常見用途——晶面擇優取向。
上圖所示是不同PEI濃度下生長得到ZnO納米草的XRD圖譜，除了來自FTO基板的衍射峰外，均與纖鋅礦結構ZnO的標準圖譜吻合，所有樣品在34.4°的(002)晶面衍射峰均是最強的衍射峰，其它晶面的衍射峰相比顯得很微弱，表明ZnO納米草沿著[001]晶面擇優取向生長。
XRD如何制樣？
軟件|MDI Jade 安裝包、安裝教程、使用手冊
Jade 教程|自動(手動)標峰位、平滑處理、求峰面積、刪除峰、摳除背地（拉平基線）
Jade 教程|txt、raw兩種格式文件的打開方法
MDI jade使用教程
Jade 教程|結晶度計算步驟詳解！（Jade結晶度計算補充視頻）
今天的分享內容先到這兒
歡迎大家留言交流
獲取軟件或文件下載方法：
- 任選精彩回放推文分享至朋友圈，截圖發後臺
- 或低調推薦本號給好友增粉，截圖發後臺
精彩回放，直接點擊：
| 超神，PS中參考線那些事
| 錄屏專家軟件安裝包及其安裝方法
| PPT轉高清海報有妙招，你知道嗎
| 教程|如何使用格式工廠轉換、裁剪、合併音頻
| 科研工具 | 在線化學分子式、三維分子結構作圖網站
| 我想用PS給照片換個底色
軟件| 格式工廠強勢迴歸，安裝操作沒毛病？
畢業論文排版，你遇到的那些麻煩事
EXCEL教程|操作神技巧（一）
公式|用MATCH加強版的VLOOKUP函數，無敵了
PS替換圖標顏色實操步驟
word技能 | 如何正確給漢字輸入拼音，這兒將深入解析
PPT資源|快過年了，你需要這些趕快回家
解析 | 這一份家長會PPT是怎麼樣，你說了算
如何用PPT做一個精美、會動、準時的鐘表
攻略|一份不成敬意的GIF動圖實用攻略
教程 | 一招討女朋友喜歡的快速修理暗淡照片方法
教程 | 幻燈片製作中的操作技能（二）
教程：僅有的1張背景圖在斷網下做一份教學課件
科研工具 | 在線化學分子式、三維分子結構作圖網站
推薦 | 微信公眾號關鍵字回覆上限悄悄提升1000餘次
模板 | 10頁陝科大學生專屬的PPT封面，想要就點進來
科研助力，直接點擊：
Origin教程|如何在origin中拉平曲線基線
Origin教程|如何做一份XPS分峰圖的美化
科研教程|不得不看的XPS知識歸納
科研教程|紅外(FT-IR)知識歸納
科研教程|拉曼光譜(Raman Spectroscopy)知識歸納
閱讀更多 落水無波 的文章
