第八讲 材料分析方法-XRD
XRD分析方法介绍
XRD分析方法介绍X射线衍射（X-ray diffraction，简称XRD）是一种非常重要的物质结构表征技术，广泛应用于材料科学、化学、地球科学、生命科学等领域。
它通过将X射线射向样品，然后测量和分析X射线经过样品后的衍射图样，从而得到样品的结构信息。
1.非破坏性：XRD是一种非破坏性分析方法，样品在接受X射线照射后不会发生永久性损伤，可以反复使用。
2.不受样品形态限制：XRD适用于固体、液体、薄膜和粉末等形态的样品，对样品的晶型、晶体结构和晶粒尺寸等信息进行分析。
3.高分辨率：XRD可以提供较高的分辨率，可以检测出样品中微小的结构变化，如晶格畸变、相变等。
4.定量分析：XRD可以进行定量分析，通过衍射峰的强度和位置，可以获取样品中不同晶相的含量，并计算晶格参数、物相纯度等信息。
5.多功能性：除了结构表征外，XRD还可以用于拟合数据、表面分析、粒度分析等应用。
1.菲涅尔衍射法：菲涅尔衍射法是一种传统的XRD方法，主要用于粉末样品的结构分析。
它是通过测量样品晶粒间隔的变化，然后将这些信息转换为衍射图样，从而得到样品的结构信息。
2. Laue衍射法：Laue衍射法是一种快速的结构分析方法，主要用于晶体表面和薄膜样品的分析。
它通过将样品放在X射线束下，然后测量并分析样品中衍射出的X射线图样，从而得到样品的结构信息。
3.粉末衍射法：粉末衍射法是一种广泛应用的XRD方法，主要用于粉末样品的结构分析。
它是通过将样品制成细粉，然后进行衍射测量，并根据布拉格方程计算晶格参数和相量等信息。
4.单晶衍射法：单晶衍射法是一种高精度的XRD方法，主要用于单晶样品的结构分析。
它是通过将样品制成单晶，然后测量和分析样品中衍射出的X射线图样，从而得到样品的三维晶体结构信息。
5.傅立叶变换衍射法：傅立叶变换衍射法是一种用于薄膜和多晶样品的XRD方法，主要用于分析样品中的表面形貌、界面反应等信息。
它是通过将样品经过傅立叶变换，将时域中的信号转换为频域中的信号，然后提取相应的结构信息。
材料分析方法-课件-材料分析方法XRD
X 射线衍射实验XRD提供的数据可以研究什么？1 确定物质和材料中的各种化合物的各种原子是怎么排列的。
研究材料和物质的一些特殊性与其原子排列的关系。
2 确定物质和材料含有哪些化合物(物相)。
3 确定各种化合物（物相）的百分比4 测定纳米材料的晶粒大小定量工作5 材料中的应力、织构、取向度、结晶度等6 薄膜的表面和界面的粗糙度、薄膜的厚度物相鉴定相对含量晶粒尺寸微观应变2-Theta Intensity 10.0 55210.02 45210.04 45610.06 452…… ……2-Theta Intensity 10.0 86210.02 32210.04 22610.06 112…… ……衍射图是什么样的？从衍射图中可以得到什么信息？横坐标：2θ或d 纵坐标：强度从衍射图中可以得到什么衍射峰的位置：空间分布规律角度的细微变化晶体结构、样品的组成、结构和成分的细微变化、晶体取向衍射峰的强度：强度强度的变化强度的方向分布数量、晶体完整性、结晶度、晶粒的取向及其分布衍射峰的形状：线形宽度晶粒大小、形变、晶体完整性、缺陷※衍射峰的位置晶面间距d → 定性分析晶格常数衍射峰位移→ 残余应力固溶体分析2θ强度※结晶物质的积分强度定量分析※非晶的积分强度结晶度※样品的择优取向织构极图※半峰宽结晶度晶粒大小晶格畸变封闭管转靶不同功率的光管X 射线的产生方法被污染的铜靶①封闭管（3KW）②样品可旋转③1D探测器④θ/θ设计⑤185mm测角仪半径⑥PDXL分析软件（设备自带）⑦48位换样器Ultima IV 多功能X射线衍射仪（测试楼）1 X射线源2 样品台3 1D探测器4 抓样机械手5 48换样器Ultima IV衍射仪机械手抓取样品开始48个样品排序后机械手自动抓取样品，可同时完成48个样品的测试。
样品的旋转，可以有效消除择优取向Ultima IV衍射仪机械手抓取样品开始测试完毕机械手放样品回位，继续下一个样品的抓取θ/θ转动，样品水平放置，X射线光源和探测器转动机械手只能抓取平的样品架，所以只能测以玻璃片为载体的样品①θ/θ设计②闭环驱动系统③9KW转靶④全部系统自动调整。
xrd的工作原理及使用方法
xrd的工作原理及使用方法
X射线衍射（X-ray Diffraction，XRD）是一种常用的材料分析技术，用于研究晶体结构、晶体学和非晶态材料的结构特征。
下面是XRD的工作原理和使用方法的概述：
工作原理：XRD利用入射X射线与样品中的原子发生衍射现象，通过测量衍射图样来推导出样品的晶体结构、晶格常数、晶格畸变等信息。
其基本原理可以概括为布拉格定律，即入射X射线在晶体中的衍射现象遵循2d sinθ = nλ，其中d是晶面间距，θ是衍射角度，n是整数倍数，λ是入射X射线的波长。
使用方法：
1.准备样品：需要准备一定数量的样品，可以是晶体样品或
非晶态材料样品。
晶体样品必须具有规则的晶体结构，而
非晶态材料样品则可以是无定型的或非晶结构的材料。
2.调节仪器参数：根据样品的特性和研究目的，调整XRD仪
器的参数，如X射线管的电流和电压、入射角范围、衍射
角范围等。
选择合适的参数可以获得更准确的结果。
3.扫描样品：将样品放置在XRD仪器中的样品台上，通过控
制仪器进行扫描。
仪器将采集到的衍射数据转换为衍射图
样或衍射强度图像。
4.分析数据：根据获得的衍射图样或衍射强度图像，使用专
业的XRD分析软件对数据进行处理和分析。
这可以包括通
过模拟与标准数据的比对来确定样品的晶体结构或晶格常
数，通过解析峰的位置和形状来研究晶体的畸变等。
XRD技术可应用于多个领域，如材料科学、地球科学、生物化学等。
它可以帮助研究者了解材料的结构和性质，发现新的材料性质，并优化材料的制备和加工工艺。
材料现代测试方法-XRD
布拉格定律
hkl
h1 k1 l1
h2 k2 l2
h3 k3 l3
h4 k4 l4
h5 k5 l5
.
.
.
dhkl dh1k1l1 dh2k2l2 dh3k3l3 dh4k4l4 dh5k5l5 .
X射线的产生
• 封闭式X射线管
X射线的产生
• 旋转阳极靶X射线管
其他X射线源
• 放射源 • 同步辐射
X射线与物质的相互作用
• X射线与物质相互作用时，就其能量转换而 言，可分为三部分：1）一部分被散射；2） 一部分被吸收；3）一部分透过物质继续沿 原来的方向传播。
散射
相干散射（瑞利散射) 非相干散射 (康普顿散射）
1913年，英国Bragg（布喇格父子）导出X射线 晶体结构分析的基本公式，即著名的布拉格公式。 并测定了NaCl的晶体结构。（1915年获得诺贝尔 奖)
1
X射线的本质
X射线和可见光 一样属于电磁 辐射，但其波 长比可见光短 得多，介于紫 外线与γ射线之 间，约为10－2 到102埃的范围。 与晶体中的键 长相当。
c
d 21 3
b
o
a
晶面(213)及d213
c
d300
b
o
a
晶面(300)及d300
晶面指标hkl及晶面间距dhkl
思考1：对于给定的晶胞，对于任意三个整数hkl（000除外）， 我们可以画出这个（hkl）晶面吗？相邻晶面的距离可知吗？
材料分析(XRD)实验报告
材料分析(XRD)实验报告实验介绍X射线衍射(X-ray diffraction，XRD)作为材料分析的重要技术，广泛应用于理化、材料、生物等多领域的研究中。
通过探测样品经X射线照射后发生的衍射现象，可以研究样品的晶体结构、成分、析出物、方位取向和应力等信息。
本次实验旨在运用XRD技术，对给定的样品进行分析，获得其粉末衍射图谱，并辨识样品的组分和晶体结构。
实验内容实验仪器实验仪器为材料研究机构常用的X射线衍射仪(XRD)。
实验条件•电压：40kV•电流：30mA•Kα射线：λ=0.15418nm实验步骤1.准备样品，测定粒度，并将其均匀地涂抹在无机玻璃衬片上。
2.打开XRD仪器，调节仪器光路使样品受到Kα射线照射。
3.开始测量，记录粉末衍射图谱，并结合实验结果进行分析。
实验结果样品组分辨识通过对样品的粉末衍射图谱进行分析，我们可以得到其组分信息。
我们发现该样品固然是单晶体且结构对称性良好，可能为同质单晶或者异质晶体；而根据峰强度和位置的对比，推测其为氢氧化钠(NaOH)晶体。
样品晶体结构我们通过对样品的峰形、角度和强度等参数进行精确计算与比对，确定了其晶体结构。
结果表明，该样品为六方晶系的氢氧化钠晶体，具有P63/mmc空间群。
数据分析在粉末衍射图谱中，我们观察到了一系列异常峰，其中最强的三个峰分别位于14.1°、28.05°和62.75°。
这些峰的出现是由于样品晶体在受到X射线照射后产生的衍射现象。
观察这些峰的强度和峰形，我们可以获得该样品的晶体结构信息。
6个最强峰分别位于：14.06°、28.106°、32.667°、36.145°、41.704°、50.952°，对应晶面指数hkl为：001、100、102、110、103、112。
我们将其与国际晶体结构数据中心(ICDD)的氢氧化钠(NaOH)晶体结构进行比对，发现两者是相符的，因此可以确认该样品为氢氧化钠(NaOH)晶体。
XRD分析课件
写了一篇论文，发表在英国的《Nature》杂 志上。 ❖ 这一伟大发现很快在医学上获得了应用——X射 线透视技术。
❖ 1910年，诺贝尔奖第一次颁发，伦琴因X射线的发 现而获得第一个诺贝尔物理学奖。
第三页
与X射线及晶体衍射有关诺贝尔奖获得者
第十九页
特征X射线的命名方法
❖ 当K电子被打出K层时，如L层电子来填充K空位时，则产生
Kα辐射。同样当K空位被M层电子填充时，则产生Kβ辐射。 M能级与K能级之差大于L能级与K能级之差，即一个Kβ光 子的能量大于一个Kα光子的能量； 但因L→K层跃迁的几率 比M→K迁附几率大，故Kα辐射强度比Kβ辐射强度大五倍
❖ 物质对X射线的吸收主要是由原子内部的电子跃 迁而引起的。这个过程中发生X射线的光电效应 和俄歇效应。
第二十九页
（1）光电效应
❖ 当用X射线轰击物质时，若X射线的能量大于物质原子 对其内层电子的束缚力时，入射X射线光子的能量就 会被吸收，从而导致其内层电子（如K层电子）被激 发，并使高能级上的电子产生跃迁，发射新的特征X 射线。
第十七页
特征X射线产生的机理
❖ 此时原子过渡到不稳定的受刺激的状态。原子停留在这 样的受刺激状态的寿命不超过10-3秒，外层的电子立即落
到内层填补空位。当发生这种过渡时，原子的能量重新减少， 多余的能量就作为X射线量子发射出来X射线的频率由下式决 定：
hv =E2-E1 式中E1和E2为原子的正常状态能量和受刺激状态时的能量 ❖ 由于各类原子的能阶有别，所以特征X射线的波长随阳极
❖ 我们称X射线激发的特征X射线为二次特征X射线或荧 光线。
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第三十一页
xrd的工作原理及使用方法
xrd的工作原理及使用方法
X射线衍射（XRD）是一种常用的材料分析方法，其工作原理基于布拉格方
程和晶体结构因子的数学表达式。
当一束单色X射线照射到晶体上时，晶体
中原子周围的电子受X射线周期变化的电场作用而振动，从而使每个电子都
变为发射球面电磁波的次生波源。
所发射球面波的频率与入射X射线的波长
一致。
基于晶体结构的周期性，晶体中各个原子（原子上的电子）的散射波
可相互干涉而叠加，称之为相干散射或衍射。
X射线在晶体中的衍射现象，
实质上是大量原子散射波相互干涉的结果。
每种晶体所产生的衍射花样都反
映出晶体内部的原子分布规律。
其中，衍射线的分布规律由晶胞大小、形状
和位向决定，衍射线强度则取决于原子的品种和它们在晶胞中的位置。
因此，不同晶体具备不同的衍射图谱。
在使用XRD时，首先需要选择合适的靶材和X射线波长，以确保衍射图谱的
准确性和可靠性。
常用的靶材包括Cu、Mo等，它们的特征X射线波长不同，需要根据待测样品的性质和所需精度来选择。
其次，需要确定合适的扫描范
围和扫描速度，以确保能够获得完整的衍射图谱和准确的晶格常数。
在测试
过程中，需要注意样品的制备方法，以确保晶体结构的完整性和一致性。
最后，通过对衍射图谱的分析，可以得到样品的晶格常数、晶面间距等信息，
从而了解样品的晶体结构和物相组成。
总之，XRD是一种非常有用的材料分析方法，可以用于研究晶体的结构和物
相组成。
通过了解XRD的工作原理和使用方法，可以更好地应用这一技术来
分析材料性质和结构，为科学研究和技术开发提供有力支持。
XRD的原理及应用ppt课件
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10
三、X射线衍射方法
• X 射线的波长较短, 大约在10- 8~ 10- 10cm 之间。与晶体中的原子间距数量级相同, 因 此可以用晶体作为X 射线的天然衍射光栅, 这就使得用X射线衍射进行晶体结构分析成 为可能。在研究晶体材料时，X射线衍射方 法非常理想非常有效，而对于液体和非晶 态物固体，这种方法也能提供许多基本的 重要数据。所以X射线衍射法被认为是研究 固体最有效的工具。在各种衍射实验方法 中，基本方法有单晶法、多晶法和双晶法。
衍射），已成为近代X射线衍射技术取得突出成 就的标志。但在双晶体衍射体系中，当两个晶体 不同时，会发生色散现象。因而，在实际应用双 晶衍射仪进行样品分析时，参考晶体要与被测晶
体相同，这使得双晶衍射仪的使用受到限制。
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24
四、X射线衍射的应用
• X射线衍射技术发展到今天, 已经成为最基 本、最重要的一种结构测试手段, 其主要应 用主要有物相分析 、 精密测定点阵参数、 应力的测定、晶粒尺寸和点阵畸变的测定、 结晶度的测定 、 晶体取向及织构的测定
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18
德拜相机
德拜相机结构简单，主 要由相机圆筒、光栏、 承光管和位于圆筒中心 的试样架构成。相机圆 筒上下有结合紧密的底 盖密封，与圆筒内壁周 长相等的底片，圈成圆 圈紧贴圆筒内壁安装， 并有卡环保证底片紧贴 圆筒。
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19
X射线衍射仪法
• X射线衍射仪法以布拉格实验装置为原型，融合了机械与 电子技术等多方面的成果。衍射仪由X射线发生器、X射 线测角仪、辐射探测器和辐射探测电路4个基本部分组成， 是以特征X射线照射多晶体样品，并以辐射探测器记录衍 射信息的衍射实验装置。现代X射线衍射仪还配有控制操 作和运行软件的计算机系统。
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多重性因数的应用：
看简立和体立的sin2q值序列，只有看到第7个值时才能分 辨是哪一种： 简立：无“7” 体立：有“14” 如果测量的衍射线少于7条，如何分辨？
看前两条衍射线，根据多重性因数： 简立: (100),(110), P = 6, 12 体立: (110),(200), P = 12, 6 第二线衍射强度较强 第一线衍射强度较强
然后由N值定出hkl.
N
1 2 3 4 5 6 8
（hkl） 100 110 111 200 210 211 220
简单立方 100 110 111 200 210 211 220
体心立方 110 200 211 220
面心立方
111 200
220
9 10 11 12 13 14 16 17 18 19 20 21 22 24
221, 300 310 311 222 320 321 400 322, 410 330, 411 331 420 421 332 422
221, 300 310 311 222 320 321 400 322, 410 330, 411 331 420 421 332 422
310 222 321 400 330, 411 311 222 400 331 420 422
立方晶系晶体的指标化：
基本原理：衍射线指数是依据其角位置的分布来确定的。 •We know Bragg's Law: nl = 2dsinq •and the equation for interplanar spacing, d, for cubic crystals is given by:
•where a is the lattice parameter •this gives:
物相分析
简单的对照工作
XRD卡片
PDF卡片的检索 检索方法：字母顺序法 Hanawalt法 Fink法 字母顺序法：根据物质英文名称的第一个字母顺序排列。 Hanawalt法：按强度递减的顺序排列
为防止有择优取向的可能：
Fink法：有择优取向改变相对强度 定性分析的过程： 1，得到X射线衍射谱或拍摄德拜相 2，测量面间距d
3，测量相对强度
4，选择适当的检索方法，检索卡片 5，将标准卡片与实测谱相对比，如对应良好，物相 鉴定即告完成。
二，粉末谱和德拜像的指标化
一条衍射线是由一组平面产生的，确定这组平面的指 数hkl 就是指标化。方法不止一种，当晶体的对称性下 降的时候，不管用什么方法，都会遇到困难，立方晶 系的指标化最容易，三斜晶系最困难。 Today’s X-ray diffractometers are all equipped with automatic computer control so a list of 2q, d, and intensity is produced after a scan of a power sample.
对于不同的晶面（h1k1l1）, （h2k2l2）…必满足下列等式：
sin2q1: sin2q2: sin2q3 :…= （h12+k12+l12）: （h22+k22+l22）: （h32+k32+l32）:… =N1:N2:N3:…
N1,N2,N3,…为一系列整数，它对应于整数（h2+k2+l2） 这个数列中有一些不得出现的禁数： 7，15，23，28，31，39，47，55，60，…
三，定量分析
四，点阵常数的精确测定：
1，误差的来源 以立方晶体为例：
2，图解外推法：
3，最小二乘法
举例：
4，标准样校正法： 用实验方法来消除误差
选一些比较稳定的物质：如Ag,Si,SiO2等，其点阵参数已经 高一级的方法精确测定过。
特点： （1），实验和计算简单，有实际应用价值 （2），精确度十分依赖于标准物本身数据的精确度
Senior applications Texture analysis Stress analysis Thin film analysis High-temperature and in-situ analysis
第七章 XRD物相分析及点阵参数精确测定 一，定性分析 定性分析基本原理：如果将几种物质混合后拍照，则所得 结果将是各单独物相衍射线条的简单叠加。根据这一原理， 就有可能从混合物的衍射花样中，将各物相一个一个地寻 找出来。 建立粉末衍射图数据库 建立衍射数据国际中心
定峰法：
半高宽法：
抛物线法：
五、择优取向的测定
六、X射线应力测定
基本原理：第一类内应力
第二类内应力
第三类内应力
宏观应力测定方法：
（一），同倾法 1，固定0法
2，固定法
（二），侧倾法
X射线宏观应力测定中的一些问题： 1，定峰法 2，应力常数
3，影响宏观应力测量精度的因素
七、亚晶粒尺寸和微观应力的测定
The Bragg line
The FWHM of a Bragg line
Information in X-ray diffractograms
Crystallite size/ crystallinity of a material Phase composition Structure analysis of the phases
不同点阵类型的立方晶系中，由于消光规律的作用，衍射
晶面的N值也不同：
简立方：1:2:3:4:5:6:8:9:… 体心立方：2:4:6:8:10:12:14:… 面心立方：3:4:8:11:12:16:… 金刚石立方：3:8:11:16:19:… 所以：由sin2q1: sin2q2: sin2q3 :…比值规律可知是什么立方，
sin2q
0.11265 0.22238
sin2qi/ sin2q1
1 2.03
N
2 4
hkl
110 200
3
4 5
35.16
41.56 47.77
0.33155
0.44018 0.54825
3.02
4.01 5.00
68 102Fra bibliotek1220 310
6
7 8
54.12
60.88 68.91
0.65649
420 332 422
对立方晶系进行指标化的程序：
1，得到XRD谱线图 2，定峰位，得到q角的排序 3，计算sin2q 4，求得整数比sin2q1: sin2q2: sin2q3 :…=N1:N2:N3:… 5，由整数比确定晶格类型
6，建立对应数据表，得到hkl值，完成指标化。
序号
1 2
q
19.61 28.14
1，对各弧对标号，由低角到高角
2，测有效周长C0，高低角区各选一弧对，C0=A+B
3，测弧对间距，并计算出真正的弧距
4，计算q， q =( 90o/ C0)*2L0 ，得到2L和q系列
5，计算d，注意K双线的问题 6，估计各线条的相对强度
7，查卡片（定性分析）
8，如果是立方相，按立方系方法进行指标化 9，计算点阵参数，按立方系晶面间距公式，高q角更准
方法：
测薄膜厚度：
掠入射X射线衍射GAXRD（Glancing Angle X Ray Diffraction）
计数器的运动范围2q：20-90o
q固定
薄膜
0.76312 0.87054
5.99
6.96 7.95
12
14 16
222
321 400
9
10 11
69.34
81.52 82.59
0.87563
0.97826 0.98335
7.97
8.94 8.95
16
18 18
400
411,330 411,330
德拜像的指标化：
步骤：
在测量之前须判别底片是属于什么装法，以区分低角区和高角区。