第一篇：X射線衍射儀在薄膜擇優(yōu)取向測定上的應(yīng)用(賀彤)
X射線衍射儀在薄膜擇優(yōu)取向測定上的應(yīng)用
賀彤1 孫偉1 金禹2 祁陽2 裴劍芬1
（1 東北大學(xué)研究院 分析測試中心，遼寧 沈陽 110004；2東北大學(xué) 理學(xué)院，遼寧 沈陽 110004）
摘要：本文以MgO單晶薄膜材料為例，說明應(yīng)用X射線反射法測量薄膜材料面內(nèi)擇優(yōu)取向的方法。對測量方法的原理及實驗步驟等進行了詳細的說明。這一方法為薄膜材料面內(nèi)擇優(yōu)取向的測量提供了新途徑。關(guān)鍵詞：X射線反射法；薄膜；擇優(yōu)取向 1 引言
薄膜材料作為一種功能材料正在被廣泛的應(yīng)用[1]。對薄膜性能分析方法的研究已逐漸成為近些年科學(xué)研究的熱點[2-3]。在薄膜的性能研究中，其結(jié)構(gòu)參數(shù)的測量——特別是擇優(yōu)取向、厚度和粗糙度等的測量至關(guān)重要。隨著薄膜技術(shù)的飛速發(fā)展，半導(dǎo)體薄膜、鐵磁介電薄膜及超導(dǎo)薄膜成為現(xiàn)代電子技術(shù)及高精科學(xué)研究儀器發(fā)展的象征。對于薄膜系統(tǒng)的越來越高的要求，使得原有塊體的結(jié)構(gòu)表征如織構(gòu)、截面等一些手段不再適用于薄膜系統(tǒng)。所以急需發(fā)展一套適用于薄膜結(jié)構(gòu)表征的一套方法。
對于薄膜的擇優(yōu)取向測量主要有金相蝕坑術(shù)(著色)，X射線衍射技術(shù)，電子衍射，中子衍射和電子背散射花樣(Electron Back Scattering Diffraction, EBSD)技術(shù)及TEM衍射斑法等[4]。衍射技術(shù)要比金相方法準確，無論是多晶衍射術(shù)還是薄膜衍射都富有自然的統(tǒng)計意義。因此，衍射方法成為擇優(yōu)取向表征的主要手段[5-6]。
本文主要研究了適用于薄膜面內(nèi)取向表征的X射線Φ掃描方法，這種方法是確定薄膜的空間取向及薄膜與基底界面的錯配情況的有利工具。2 實驗原理及方法
與X射線衍射相同，X射線Φ掃描也基于布拉格衍射方程：
2dhklsin???
旋轉(zhuǎn)X射線的四圓衍射系統(tǒng)，使得選定的晶面發(fā)生衍射，利用晶面關(guān)于旋轉(zhuǎn)軸的對稱關(guān)系，即可確定薄膜的空間取向及薄膜與襯底間界面的錯配關(guān)系。2.1 X射線四圓操作
圖1是X射線的四圓操作幾何圖，其中2?為高能接受器與X入射光的夾角，?為樣品表面與X入射光的夾角，如圖可見2?和?的轉(zhuǎn)軸與樣品的y軸重合，范圍為0o???90o,0o?2??18o0；轉(zhuǎn)角?的轉(zhuǎn)軸與樣品的x軸重合（0o???90o）；而?的轉(zhuǎn)軸沿著樣品的z軸(0o???360o)。當??0時，X射線進行2?和?聯(lián)動掃描即為普通的樣品物相掃描，這時樣品中與表面平行的晶面將會發(fā)生衍射，對于多晶樣品，其衍射圖譜將包含該相所有的衍射峰；而對于具有強擇優(yōu)取向或單晶的樣品，則只有某一晶面族發(fā)生衍射。
圖1 X射線樣品臺操作幾何示意圖
Fig.1 the schematic picture of XRD rotation 2.2 Φ掃描原理及實驗方法
為了更加明確的說明Φ掃法確定空間取向的原理，我們以面心立方結(jié)構(gòu)的MgO(001)單晶為例，首先??0，X射線進行2?和?聯(lián)動掃描，單晶(001)MgO中與表面平行的晶面將會發(fā)生衍射，在以Cu的Kα1為X射線發(fā)射源的時候，衍射圖中只有2??42.92o的MgO的(002)最強衍射峰，而沒有其他晶面的衍射峰，可以說明樣品的表面與MgO晶體(00l)面平行，樣品的表面法向為晶體的[001]方向。而其面內(nèi)的[010]和[100]晶向并不能確定，可以繞[001]方向旋轉(zhuǎn)的分布，如圖2所示。
[00l][010][022][100] 圖2 樣品面內(nèi)取向示意圖
Fig.2 the schematic diagram of sample in-plane orientation 而要確定其實際晶體的空間取向，就要另外確定其他晶向的空間取向?？紤]
]?[022]的方法確定到衍射儀自身?角的限制范圍，經(jīng)過查閱文獻可知利用[001[100]的在xy面內(nèi)的取向，從而確定晶體的空間取向，所以確定MgO[022]晶向在空間的取向就成為待解決的問題。
與確定表面的晶面指數(shù)相同，使得晶面(022)發(fā)生衍射，從而確定[022]晶向在空間的取向。根據(jù)實驗結(jié)果及文獻資料可知MgO的晶格常數(shù)a?b?c?4.21?，根據(jù)晶體學(xué)正交晶系面間距公式[7]： odhkl?1hkl()2?()2?()2abco
求得MgO的(022)的晶面間距d022?1.485A，再將其代入布拉格衍射方程得到：
1.789o??arcsin()?acrsin()?36.97o,因此，2??73.857
2d0222?1.485MgO(022)晶面衍射，除確定?和2?角后，還需將MgO(022)晶面法線旋轉(zhuǎn)到光路的入射、衍射平面內(nèi)，這就需要樣品臺轉(zhuǎn)動到特定?角。利用樣品表面晶面指數(shù)和已知MgO面心立方晶體結(jié)構(gòu)，則可確定X射線儀所需轉(zhuǎn)動的?角。
圖3 樣品角旋轉(zhuǎn)示意圖
Fig.3 the schematic diagram of sample?rotation ?目前只能確定MgO的表面法向為[001]晶向，所以體內(nèi)所有晶向都存在繞法向[001]旋轉(zhuǎn)的圓錐面母線分布(圖3)。如MgO的[022]晶向則是頂角為90度的圓錐面分布(在立方晶系中[001]與[022]晶向夾角為45o)，如果將樣品繞X軸旋轉(zhuǎn)45o(即?取45o)，MgO的[022]晶向分布的圓錐面將與光路的入射、衍射平面相切，即在?和2?角恰好為計算的37.039o和74.078o的情況下，樣品繞其表面法線旋轉(zhuǎn)，即X射線進行?掃時MgO的[022]晶向?qū)⑿D(zhuǎn)于光路的入射、衍射平面，MgO(022)晶面將發(fā)生衍射，由于MgO(022)晶面關(guān)于[001]晶向4次對稱，所以在衍射圖譜中每相隔90o將出現(xiàn)一個衍射峰。
oo2??73.857圖4為在??36.97、且??45o時MgO(022)晶面?掃衍射圖。
]?[022]的方法確定 ?角為0o,90o,180o,270o四個位置有明銳的衍射峰，利用[001Intensity(counts)******000050100***0350Phi(? 圖4 MgO(022)Φ掃描圖
Fig.4 the schematic of Φ scan to MgO(022)
[100]的在xy面內(nèi)的取向。仔細觀察，在每個峰位?18.5o的位置還存在兩個對稱的小峰，這可能是與單晶取向差?18.5o存在著微量的小晶粒而造成的。3 結(jié)語
利用X射線Φ掃描方法具有統(tǒng)計性高，操作簡便的特點。這種方法克服了由于儀器存在旋轉(zhuǎn)和測量區(qū)域限制而不能對面內(nèi)取向進行直接測量的缺點。X射線Φ掃描方法是薄膜面內(nèi)擇優(yōu)取向測量的有效手段，值得進一步推廣。參考文獻
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第二篇：二維X射線衍射技術(shù)在晶體結(jié)構(gòu)測定中的應(yīng)用
二維X射線衍射在晶體結(jié)構(gòu)測定中應(yīng)用研究進展
摘要：X 射線衍射是目前晶體結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域中的一種重要的技術(shù)和手段。本文主要介紹了二維 X 射線衍射(2D-XRD)的有關(guān)概念，二維 X 射線衍射系統(tǒng)的工作原理、系統(tǒng)構(gòu)件以及這一先進測量技術(shù)在晶體結(jié)構(gòu)測定中的應(yīng)用研究進展，期望為后續(xù)晶體結(jié)構(gòu)的分析和研究提供參考。關(guān)鍵詞：二維X射線衍射；晶體結(jié)構(gòu)；進展
Abstract: X-ray diffraction is one of the important means in the field of crystal structure research.This article mainly introduced relevant concepts of two-dimensional(2D-XRD), 2D-XRD system working principle, device composition and its application in crystal structure determination research to provide a reference for further analysis and research of the crystal structure.Key words: two-dimensional X-ray diffraction;Crystal structure;progress
1.引言
X 射線衍射分析法是研究物質(zhì)的物相和晶體結(jié)構(gòu)的主要方法。當對晶體進行X射線衍射分析時，晶體被 X 射線照射產(chǎn)生不同程度的衍射現(xiàn)象，晶型、分子內(nèi)成鍵方式、分子的構(gòu)型、構(gòu)象等決定該晶體產(chǎn)生特有的衍射圖譜。X 射線衍射方法具有不損傷樣品、無污染、快捷、測量精度高、能得到有關(guān)晶體完整性的大量
[1]信息等優(yōu)點。因此，X 射線衍射分析法已晶體結(jié)構(gòu)的研究中得到廣泛應(yīng)用。
隨著探測技術(shù)、點光束 X 射線光學(xué)和計算機能力的進展以及二維探測器迅猛增加，二維 X 射線衍射技術(shù)得以迅速發(fā)展。二維X射線衍射技術(shù)(2D-XRD)是一種新的技術(shù)，二維象比一維線形包含更多的信息，因此，在晶體結(jié)構(gòu)測定中2D-XRD中正得到越來越多的研究，有較好的應(yīng)用前景。
2.二維X射線衍射(2D-XRD)的概念及原理
2.1 X射線衍射的基本原理
X 射線同無線電波、可見光、紫外線等一樣，本質(zhì)上都屬于電磁波，只是彼此之間占據(jù)不同的波長范圍而已。X 射線的波長較短，大約在10-8～10-10之間。X射線分析儀器上通常使用的X射線源是X射線管，這是一種裝有陰陽極的真空封閉管，在管子兩極間加上高電壓，陰極就會發(fā)射出高速電子流撞擊金屬陽極靶，從而產(chǎn)生 X 射線。當 X 射線照射到晶體物質(zhì)上，由于晶體是由原子規(guī)則排列成的晶胞組成，這些規(guī)則排列的原子間距離與入射X射線波長有相同數(shù)量級，故由不同原子散射的 X 射線相互干涉，在某些特殊方向上產(chǎn)生強 X 射線衍射，衍射線在空間分布的方位和強度，與晶體結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，不同的晶體物質(zhì)具有自己獨特的衍射花樣，這就是 X 射線衍射的基本原理[1]。
2.2 二維X射線衍射(2D-XRD)的定義
在 X 射線衍射中，數(shù)據(jù)的采集和分析主要是基于點探測器或位敏探測器(PSD)所掃描到的衍射空間。因此，傳統(tǒng) XRD 應(yīng)用都是以傳統(tǒng)的點探測器做一維射線收集，如物相鑒定、織構(gòu)(取向)、殘余應(yīng)力、晶粒尺寸、點陣常數(shù)等。二維面探測器的出現(xiàn)大大的推進了探測技術(shù)的發(fā)展。二維衍射當然離不開二維探測器，然而僅僅使用二維探測器的衍射實驗不一定就是二維衍射。二維面探測技術(shù)并不是簡單地沿襲了傳統(tǒng)的一維衍射理論，它是一種建立在新方法上的新技術(shù)，不是簡單使用二維探測器的衍射儀。除了2D 探測器技術(shù)外，還包括 2D 象處理、2D 衍射花樣的處理和解釋。因為它所采集的數(shù)據(jù)更加豐富，所以有必要提出一種新的概念來理解和詮釋二維 X 射線衍射數(shù)據(jù)[2-3]。賀寶平[4]對二維 X 射線衍射作如下定義：在X射線衍射實驗中使用二維探測器，并對由二維探測器記錄二維象，二維衍射花樣的數(shù)據(jù)進行處理分析和解釋的X射線衍射方法稱為二維X射線衍射術(shù)。2D-XRD 是進行微觀結(jié)構(gòu)分析的主要手段。
3．二維X射線衍射儀系統(tǒng)的主要構(gòu)件
當一束單色 X 射線照射在樣品上的時候，除了發(fā)生吸收之外，還可觀察到散射 X 射線的波長與入射 X 射線相同，稱之為相干散射。不同的原子和不同的原子排列周期性，X 射線的強度和空間分布就形成了一個特定的模式，而各種模式反映出來的各種不同的信息就用以研究材料的結(jié)構(gòu)[5]。一種典型的二維 X 射線衍射系統(tǒng)至少包括一個二維探測器、X 射線源、X 射線狹縫、樣品臺、樣品調(diào)整與監(jiān)控裝置以及相應(yīng)的計算機數(shù)據(jù)還原與分析軟件，如圖1所示。
圖1 二維X射線衍射系統(tǒng)的五個主要組成部分
4.二維X射線衍射技術(shù)在晶體結(jié)構(gòu)測定中的應(yīng)用
由上述 X 射線衍射原理可知，物質(zhì)的 X 射線衍射花樣與物質(zhì)內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)。每種結(jié)晶物質(zhì)都有其特定的結(jié)構(gòu)參數(shù)，因此，通過分析待測試樣的 X 射線衍射花樣，不僅可以知道物質(zhì)的化學(xué)成分，還能知道它們的存在狀態(tài)，即能知道某元素是以單質(zhì)存在或者以化合物、混合物及同素異構(gòu)體存在。目前，X 射線衍射技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于晶體結(jié)構(gòu)的分析與研究工作中。根據(jù)二維 X 射線衍射試驗可以進行結(jié)晶物質(zhì)的定量分析、晶粒大小的測量和晶粒的取向分析等[6]。下面對2D-XRD 在單晶和多晶結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用研究進展分別進行介紹。4.1 二維X射線衍射術(shù)在單晶樣品結(jié)構(gòu)測定中的應(yīng)用
按照二維X射線衍射術(shù)的定義，用連續(xù)X射線入射不動單晶體，并用二維平面探測器(一定大小照相底片)的勞厄法是經(jīng)典的二維X射線衍射方法[7-8]，勞厄法又分背射勞厄法和透射勞厄法兩種方法。
二維 X 射線衍射測定單晶樣品時，用的X射線源為點光源或同步輻射光源，探測器為二維探測器（底片、CCD、IP），測定單晶體取向和定向切割。利用同步輻射X射線白光束照射不動單晶的勞厄照相法已成為測定微小單晶、生物大分單晶結(jié)構(gòu)的重要方法。為了衰減較短波長的衍射斑點和覆蓋強度的動力學(xué)區(qū)域，采用帶有衰減膜(金屬膜或其它)的底片盒，換言之，二維探測器是帶有衰減器底片組件。實驗時，需在不同ψ角位置拍攝幾組底片，每組有若干張，暴光時間為秒量級；用光密度自動掃描儀測量黑度(強度)，并記錄磁盤上；調(diào)用計算機程序解決諧波斑點重疊及斑點的入射線的波長和強度差別，在獲得每個斑點的角參數(shù)和強度數(shù)據(jù)以后便可進入解結(jié)構(gòu)的程序，這使得一些微小單晶體結(jié)構(gòu)測定成為可能，一些例子如下表一：
表一 2D-XRD 測定試樣的單晶結(jié)構(gòu)實例
方法
λ=0.90A0,區(qū)域探測器 白光束 試樣
對二氮己環(huán)硅脂 催化劑
對二氮己環(huán)硅脂 催化劑
有機金屬化合物
晶體尺度（μm3）18×175×8 4×125×8 12×4×125 4×125×8 60×50×320 勞厄法
近些年來，也已發(fā)展用（CCD）或成像板(IP)等二維探測器代替底片組件，并把有關(guān)數(shù)據(jù)傳送給計算機，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)處理的自動化，這就是單晶樣品現(xiàn)代二維X射線衍射術(shù)。許多同步輻射光源都建立了生物大分子晶體學(xué)光束線和實驗站，并已推廣到實驗室X射線光源上，用于較大單晶體樣品的結(jié)構(gòu)測定[9-10]。
單晶樣品二維X射線衍射發(fā)展趨勢是：1)用CCD或成像板(IP)等二維探測器代替勞厄底片，把有勞厄花樣的有關(guān)數(shù)據(jù)傳送給計算機，實現(xiàn)指標化的計算機化和 自動化；2)用CCD或成像板(IP)等二維探測器代替帶有衰減器底片組件，把有幾張勞厄花樣的有關(guān)數(shù)據(jù)傳送給計算機，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)處理和解結(jié)構(gòu)的自動化，并推廣到同步輻射光源和一般X射線源上的微小(μm 量級)和小單晶(亞 mm 量級)樣品的晶體結(jié)構(gòu)測定。
4.2 二維X射線衍射術(shù)在多晶樣品結(jié)構(gòu)測定中的應(yīng)用
二維 X 射線衍射測定多晶樣品時，用的 X 射線源為點光源，探測器為二維探測器，多晶樣的二維衍射尚屬新的實驗技術(shù)，許多方面還不完善，尚需繼續(xù)研究和開發(fā)，目前主要研究集中于物相的定性分析，應(yīng)力應(yīng)變測定及支構(gòu)測定等方面。
結(jié)果
強度數(shù)據(jù)→結(jié)構(gòu) 強度數(shù)據(jù)→結(jié)構(gòu) 能大致從底片測量強度數(shù)據(jù)
強度數(shù)據(jù)→結(jié)構(gòu) 4.2.1 使用2D-XRD進行物相定性分析
物相分析的原理和方法已有專著[11]介紹，將未知待測樣品的粉末衍射譜d、I/I1，通過檢索/匹配與已知的PDF數(shù)據(jù)相比對而作出物相鑒定，那是假定粉末樣品的晶粒度足夠細(≤lμm)，晶粒取向在樣品中分布是完全無序的，因此對一維衍射數(shù)據(jù)的測量和分析就足以進行物相分析。但當這種多晶樣品具有織構(gòu)—— 晶粒取向的擇優(yōu)分布、大的晶粒尺寸和樣品很少時，僅用一維衍射數(shù)據(jù)就難以進行物相分析，此時用二維衍射系統(tǒng)測量的衍射線形比用普通衍射儀收集的衍射線形有較好統(tǒng)計性，但獲得較準確d值和相對強度還有困難，特別是大晶粒和/或織構(gòu)的樣品。因此要在二維測量時需要作2D構(gòu)架積分和振動。4.2.2 用2D-XRD的織構(gòu)測量
對于織構(gòu)測定，二維X射線衍射系統(tǒng)比一維衍射系統(tǒng)有許多優(yōu)點，因為織構(gòu)測定是基于極圖角度(α，β)與沿衍射環(huán)的強度分布之間的基本關(guān)系。二維探測器能同時測定幾個衍射環(huán)，每一個衍射環(huán)表明一連續(xù)的極密度分布，這樣，在根據(jù)極圖來判斷織構(gòu)類型{hkl}
圖二 用1D和2DX射線衍射作極圖測量之間的比較
可見，因此，二維X射線衍（2D-XRD）能以高的分辨率和高的速度測定多晶的結(jié)構(gòu),獲得較少的數(shù)據(jù)收集時間和較好的測量結(jié)果。4.2.3 使用2D-XRD的應(yīng)力測量
應(yīng)力測量依據(jù)的是應(yīng)力張量和衍射圓錐畸變之間基本關(guān)系。2D-XRD 的有利之處是衍射環(huán)上所有數(shù)據(jù)點都用于計算應(yīng)力，這樣用較少數(shù)據(jù)收集時間獲得較好的測量結(jié)果。理論上已經(jīng)證明，普通一維的基本方程是二維基本方程的一個特殊情況。在實驗方法上，普通(一維)探測器能考慮為二維探測器的有限部分。在使用的數(shù)據(jù)上，一維衍射的缺點僅用衍射環(huán)的一小部分于應(yīng)力計算，而二維衍射使用衍射環(huán)的全部于應(yīng)力計算。在進行殘余應(yīng)力測量時，2D-XRD 也具有許多優(yōu)點，特別是涉及到高度織構(gòu)的材料，大的晶粒尺度，小的試樣面積，弱的衍射，特別是應(yīng)力作圖和應(yīng)力張量測量[13-15]。
5.結(jié)語
綜上所述，X 射線衍射技術(shù)已經(jīng)成為人們研究材料尤其是晶體材料最方便、最重要的手段。目前 2D-XRD 技術(shù)還處于研究中，缺點是對探測技術(shù)及光學(xué)研究和計算機能力有很強的依賴性，所以應(yīng)用相對來說不太廣泛。但其具有獨特的優(yōu)點，比一維X 衍射技術(shù)包含更多的信息，且在測定時有較高的速度和高分辨率，獲得較少的數(shù)據(jù)收集時間和較好的測量結(jié)果。隨著探測技術(shù)、光學(xué)和計算機能力的進展以及二維探測器迅猛增加，二維 X 射線衍射技術(shù)必定會迅速發(fā)展，在晶體結(jié)構(gòu)測定中2D-XRD中得到越來越多的研究，在晶體結(jié)構(gòu)分析研究領(lǐng)域必將擁有更廣闊的應(yīng)用前景。
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第三篇：X射線衍射儀工作原理操作及其應(yīng)用
X射線衍射儀工作原理操作及其應(yīng)用
（一）工作原理
X射線是利用衍射原理，精確測定物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)，織構(gòu)及應(yīng)力。對物質(zhì)進行物相分析、定性分析、定量分析。廣泛應(yīng)用于冶金、石油、化工、科研、航空航天、教學(xué)、材料生產(chǎn)等領(lǐng)域。
特征X射線是一種波長很短(約為20～0.06nm)的電磁波，能穿透一定厚度的物質(zhì)，并能使熒光物質(zhì)發(fā)光、照相乳膠感光、氣體電離。在用電子束轟擊金屬“靶”產(chǎn)生的X射線中，包含與靶中各種元素對應(yīng)的具有特定波長的X射線，稱為特征（或標識）X射線?？紤]到X射線的波長和晶體內(nèi)部原子間的距離相近，1912年德國物理學(xué)家勞厄提出一個重要的科學(xué)預(yù)見：晶體可以作為X射線的空間衍射光，即當一束X射線通過晶體時將發(fā)生衍射，衍射波疊加的結(jié)果使射線的強度在某些方向上加強，在其他方向上減弱。分析在照相底片上得到的衍射花樣，便可確定晶體結(jié)構(gòu)。這一預(yù)見隨即為實驗所驗證。1913年英國物理學(xué)家布拉格父子在勞厄發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，不僅成功地測定了NaCl、KCl等的晶體結(jié)構(gòu)，并提出了作為晶體衍射基礎(chǔ)的著名公式──布拉格定律：
式中λ為X射線的波長，n為任何正整數(shù)。當X射線以掠角θ（入射角的余角，又稱為布拉格角）入射到某一點陣晶格間距為d的晶面面上時，在符合上式的條件下，將在反射方向上得到因疊加而加強的衍射線。
（二）操作步驟
2.1開機前的準備
打開循環(huán)水，檢查水溫是否在20攝氏度左右，上下波動范圍不超過3度；室內(nèi)溫度在20攝氏度左右，上下波動范圍不超過3度；濕度小于80%；樣品放置在樣品臺正中間； 2.2開機檢查
記錄檢查情況，填寫《儀器設(shè)備使用記錄》；預(yù)熱30分鐘，加載高壓；啟動電腦，打開commander軟件，點擊init drives按鈕進行初始化，然后點擊Move drives按鈕驅(qū)動各個軸轉(zhuǎn)動到設(shè)定的角度處；在commander軟件中將設(shè)備功率設(shè)定到額定功率，銅靶40KV，40mA；鈷靶35KV，40mA；設(shè)定2thet角的范圍（通常范圍在20°到80°）。掃描方式設(shè)定為continuous;掃描速度設(shè)定為2°/min。填寫《儀器設(shè)備使用記錄》。2.3 開始檢測
點擊start按鈕開始衍射。測試完畢后將數(shù)據(jù)保存到目標文件夾，文件名與檢測樣品名一致。檢測數(shù)據(jù)及時記入《物相定性分析項目檢測原始記錄》； 2.4 關(guān)機前的檢查
測試完畢后，將已測樣品放入已測區(qū)或廢樣區(qū)，以免和未測樣品混淆。點擊設(shè)備上high voltage按鈕，來卸載高壓；設(shè)備冷卻30分鐘，使光管冷卻到室溫。否則容易使光管氧化，縮短其使用壽命；關(guān)閉軟件，關(guān)閉電腦。點擊stop按鈕關(guān)閉衍射儀；關(guān)閉循環(huán)水冷機。填寫《儀器設(shè)備使用記錄》。2.5儀器設(shè)備狀態(tài)恢復(fù)
將已檢測樣品放入已測區(qū)，以免和未測樣品混淆；將檢測完畢的樣品臺在試驗臺上擺放整齊；地面保持干凈。
（三）應(yīng)用
3.1 物相分析
晶體的Ｘ射線衍射圖像實質(zhì)上是晶體微觀結(jié)構(gòu)的一種精細復(fù)雜的變換，每種晶體的結(jié)構(gòu)與其Ｘ射線衍射圖之間都有著一一對應(yīng)的關(guān)系，其特征X射線衍射圖譜不會因為它種物質(zhì)混聚在一起而產(chǎn)生變化，這就是Ｘ射線衍射物相分析方法的依據(jù)。制備各種標準單相物質(zhì)的衍射花樣并使之規(guī)范化，將待分析物質(zhì)的衍射花樣與之對照，從而確定物質(zhì)的組成相，就成為物相定性分析的基本方法。鑒定出各個相后，根據(jù)各相花樣的強度正比于改組分存在的量（需要做吸收校正者除外），就可對各種組分進行定量分析。目前常用衍射儀法得到衍射圖譜，用“粉末衍射標準聯(lián)合會（JCPDS）”負責(zé)編輯出版的“粉末衍射卡片（PDF卡片）”進行物相分析。
目前，物相分析存在的問題主要有：⑴ 待測物圖樣中的最強線條可能并非某單一相的最強線，而是兩個或兩個以上相的某些次強或三強線疊加的結(jié)果。這時若以該線作為某相的最強線將找不到任何對應(yīng)的卡片。⑵ 在眾多卡片中找出滿足條件的卡片，十分復(fù)雜而繁鎖。雖然可以利用計算機輔助檢索，但仍難以令人滿意。⑶ 定量分析過程中，配制試樣、繪制定標曲線或者Ｋ值測定及計算，都是復(fù)雜而艱巨的工作。為此，有人提出了可能的解決辦法，認為 從相反的角度出發(fā)，根據(jù)標準數(shù)據(jù)（PDF卡片）利用計算機對定性分析的初步結(jié)果進行多相擬合顯示，繪出衍射角與衍射強度的模擬衍射曲線。通過調(diào)整每一物相所占的比例，與衍射儀掃描所得的衍射圖譜相比較，就可以更準確地得到定性和定量分析的結(jié)果，從而免去了一些定性分析和整個定量分析的實驗和計算過程。3.2 點陣常數(shù)的精確測定
點陣常數(shù)是晶體物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，測定點陣常數(shù)在研究固態(tài)相變、確定固溶體類型、測定固溶體溶解度曲線、測定熱膨脹系數(shù)等方面都得到了應(yīng)用。點陣常數(shù)的測定是通過X射線衍射線的位置（θ）的測定而獲得的，通過測定衍射花樣中每一條衍射線的位置均可得出一個點陣常數(shù)值。
點陣常數(shù)測定中的精確度涉及兩個獨立的問題，即波長的精度和布拉格角的測量精度。波長的問題主要是X射線譜學(xué)家的責(zé)任，衍射工作者的任務(wù)是要在波長分布與衍射線分布之間建立一一對應(yīng)的關(guān)系。知道每根反射線的密勒指數(shù)后就可以根據(jù)不同的晶系用相應(yīng)的公式計算點陣常數(shù)。晶面間距測量的精度隨θ 角的增加而增加，θ越大得到的點陣常數(shù)值越精確，因而點陣常數(shù)測定時應(yīng)選用高角度衍射線。誤差一般采用圖解外推法和最小二乘法來消除，點陣常數(shù)測定的精確度極限處在1×10-5附近。3.3 晶粒尺寸和點陣畸變的測定
若多晶材料的晶粒無畸變、足夠大，理論上其粉末衍射花樣的譜線應(yīng)特別鋒利，但在實際實驗中，這種譜線無法看到。這是因為儀器因素和物理因素等的綜合影響，使純衍射譜線增寬了。純譜線的形狀和寬度由試樣的平均晶粒尺寸、尺寸分布以及晶體點陣中的主要缺陷決定，故對線形作適當分析，原則上可以得到上述影響因素的性質(zhì)和尺度等方面的信息。
在晶粒尺寸和點陣畸變測定過程中，需要做的工作有兩個：⑴ 從實驗線形中得出純衍射線形，最普遍的方法是傅里葉變換法和重復(fù)連續(xù)卷積法。⑵ 從衍射花樣適當?shù)淖V線中得出晶粒尺寸和缺陷的信息。這個步驟主要是找出各種使譜線變寬的因素，并且分離這些因素對寬度的影響，從而計算出所需要的結(jié)果。主要方法有傅里葉法、線形方差法和積分寬度法。3.4單晶取向和多晶織構(gòu)測定
單晶取向的測定就是找出晶體樣品中晶體學(xué)取向與樣品外坐標系的位向關(guān)系。雖然可以用光學(xué)方法等物理方法確定單晶取向，但X衍射法不僅可以精確地單晶定向，同時還能得到晶體內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的信息。一般用勞埃法單晶定向，其根據(jù)是底片上勞埃斑點轉(zhuǎn)換的極射赤面投影與樣品外坐標軸的極射赤面投影之間的位置關(guān)系。透射勞埃法只適用于厚度小且吸收系數(shù)小的樣品；背射勞埃法就無需特別制備樣品，樣品厚度大小等也不受限制，因而多用此方法。
多晶材料中晶粒取向沿一定方位偏聚的現(xiàn)象稱為織構(gòu)，常見的織構(gòu)有絲織構(gòu)和板織構(gòu)兩種類型。為反映織構(gòu)的概貌和確定織構(gòu)指數(shù)，有三種方法描述織構(gòu)：極圖、反極圖和三維取向函數(shù)，這三種方法適用于不同的情況。對于絲織構(gòu)，要知道其極圖形式，只要求出求其絲軸指數(shù)即可，照相法和衍射儀法是可用的方法。板織構(gòu)的極點分布比較復(fù)雜，需要兩個指數(shù)來表示，且多用衍射儀進行測定。3.5展望
隨著X射線衍射技術(shù)越來越先進，X射線衍射法的用途也越來越廣泛，除了在無機晶體材料中的應(yīng)用，已經(jīng)在有機材料、鋼鐵冶金、以及納米材料的研究領(lǐng)域中發(fā)揮出巨大作用，并且還應(yīng)用于瞬間動態(tài)過程的測量。計算機的普遍使用讓各種測量儀器的功能變得強大，測試過程變得簡單快捷，雙晶衍射、多重衍射也越來越完善。但是，隨之而來的軟件也缺陷越來越明顯，在各種分析過程中，軟件分析檢索的準確度都不盡人意。
縱觀整個X射線衍射領(lǐng)域，可以看出儀器設(shè)備的精密化和多用途化是一個發(fā)展趨勢，然而各種設(shè)備運行的軟件明顯落后于設(shè)備的發(fā)展，所以今后迫切的需要是軟件系統(tǒng)的更新和完善。
第四篇：二維X射線衍射儀_XRD2_在金屬織構(gòu)測量上的應(yīng)用
二維X射線衍射儀(XRD2)在金屬織構(gòu)測量上的應(yīng)用質(zhì)量檢驗中心彭??真摘??要X射線衍射是目前材料科學(xué)領(lǐng)域研究工作中的一種重要的技術(shù)和手段。本文主要介紹了二維X射線衍射儀(XRD2)的工作原理以及這一先進測量技術(shù)在金屬織構(gòu)研究中的應(yīng)用。2??二維X-Ray衍射儀(XRD2)及其1??引言工作原理德國物理學(xué)家克尼普在研究鉑的X射2.1??測量織構(gòu)的XRD2的介紹線衍射花樣特征時,首次提出了晶粒擇優(yōu)取向分布的設(shè)想。而自從1937年戈斯發(fā)現(xiàn)硅在X射線衍射中,數(shù)據(jù)的采集和分析主要鋼片中導(dǎo)磁性能的各向異性以來,織構(gòu)就被是基于點探測器或位敏探測器(PSD)所掃描到作為一門子學(xué)科被廣大科研工作者進行研的衍射空間。因此,傳統(tǒng)XRD應(yīng)用都是以傳統(tǒng)究?？棙?gòu)使多晶聚合體中晶粒取向不再呈的點探測器做一維射線收集,如物相鑒定、織構(gòu)統(tǒng)計均勻分布,導(dǎo)致材料在力學(xué)性能、物理(取向)、殘余應(yīng)力、晶粒尺寸、點陣常數(shù)等。性能和化學(xué)性能等宏觀性能上表現(xiàn)出各向二維面探測器的出現(xiàn)大大的推進了探測異性。由于晶體材料織構(gòu)的普遍性以及它技術(shù)的發(fā)展。二維面探測技術(shù)(XRD2)并不對材料性能的重要影響,這些年來許多國家是簡單地沿襲了傳統(tǒng)的一維衍射理論,它是投入了大量的精力從事這方面的開發(fā)研究,一種建立在新方法上的新技術(shù)。因為它所采并取得了顯著的成果。這些成果又以非常集的數(shù)據(jù)更加豐富,所以有必要提出一種新快的速度轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力,應(yīng)用于新材料的生的概念來理解和詮釋XRD2的衍射數(shù)據(jù)。產(chǎn)中。例如超深沖鋼板、新一代優(yōu)質(zhì)硅鋼2.2??XRD2的二維衍射模式與衍射的主要構(gòu)件板,半導(dǎo)體薄膜、電容器鋁箔、超導(dǎo)材料、新型稀土永磁材料和磁致伸縮材料等產(chǎn)品的XRD是進行微觀結(jié)構(gòu)分析的主要手段。出現(xiàn)或日趨成熟。當一束單色X射線照射在樣品上的時候,除金屬材料的織構(gòu)對加工過程是很敏感了發(fā)生吸收之外,還可觀察到散射X射線的的,材料形成的過程和環(huán)境不同,故織構(gòu)的類波長與入射X射線相同,稱之為相干散射。型和強度亦各種各樣。要對材料織構(gòu)進行具不同的原子和不同的原子排列周期性,X射體研究,就必須先測量材料中的織構(gòu),并進行線的強度和空間分布就形成了一個特定的模分析。對于織構(gòu)的測量可以通過多種直接或式,而各種模式反映出來的各種不同的信息間接的方法來實現(xiàn),直接的可以通過X射線就用以研究材料的結(jié)構(gòu)。衍射儀織構(gòu)附件來獲得極圖、反極圖和ODF數(shù)據(jù)來進行分析;間接的可以通過透射電鏡獲得衍射照片,然后進行衍射花樣分析。其中運用二維X射線衍射儀(XRD2)來測量材圖1??單晶和多晶的X射線衍射模式料的織構(gòu)是目前先進的主要測量方法之一。??41??
圖1給出了單晶和多晶的不同衍射?？色@得多張極圖數(shù)據(jù)。式,從單晶(圖1a)中散射出的每條離散的衍射線與一個晶面組對應(yīng)。對于多晶材料(圖1),取向分布多樣化的晶粒被X射線掃過,衍射線就會形成一系列的連續(xù)程度不同的衍射圓錐,每一個圓錐都對應(yīng)了所有參與了衍射的晶粒的某一個晶面族。多晶材料可以是單相,多相,也可以是塊狀,薄片狀或液態(tài)。圖3??點探測、PSD、2D探測器德拜環(huán)測量的比較實際上,XRD2技術(shù)的應(yīng)用并不只是局限在從圖3可以看出2D探測器探測速度多晶材料,還可以是單晶混合物,多晶及無定快,而且可以測量到衍射儀平面外的衍射信形材料。息。一種典型的二維X射線衍射系統(tǒng)至少2.4??二維X射線衍射系統(tǒng)中的幾何學(xué)布置包括一個二維探測器、X射線源、X射線狹縫、樣品臺、樣品調(diào)整與監(jiān)控裝置以及相應(yīng)的XRD2系統(tǒng)有三個不同的坐標空間組計算機數(shù)據(jù)還原與分析軟件,如圖2所示。成,每一個空間都由一系列參數(shù)定義。這三
個空間分別是:衍射空間、探測空間及樣品空間。每個空間由一組參數(shù)定義,參考坐標系統(tǒng)XYZ是三個子空間的基礎(chǔ),三個子空LLL間相互關(guān)聯(lián)。圖2??二維X射線衍射系統(tǒng)的5個主要組成部分2.3??傳統(tǒng)XRD和XRD2的比較傳統(tǒng)XRD技術(shù)的測量主要是通過對背射圓錐(2??<90)和透射圓錐(2??>90)來圖4??衍射空間的衍射幾何進行測量的。傳統(tǒng)衍射計限制在一個平面參考坐標系中衍射圓錐的幾何學(xué)定義如內(nèi),點探測器沿著探測圓作2??掃描。在傳統(tǒng)圖4所示,XYZ類似于傳統(tǒng)的三圓或者四方法中,由于沿垂直于探測平面的Z方向的LLL圓衍射儀。入射X射線沿X傳播,Z朝上,衍射沒有考慮,而X射線一般沿Z方向線聚LL與Y構(gòu)成右手直角坐標系統(tǒng)。X也是圓錐焦,所以傳統(tǒng)衍射儀的衍射花樣只是沿Z方LL的旋轉(zhuǎn)軸。圓錐的頂角由布拉格方程給出的向在衍射束尺寸范圍內(nèi)的平均值,在探測平?jīng)Q定。對于前反射(2??!90)頂角為2??的面之外的衍射數(shù)據(jù)沒有測到,所以相應(yīng)的結(jié)兩倍,背反射(2???90)為180-2??的兩構(gòu)信息也被忽略了,因而就不可避免地帶來倍。??角可以根據(jù)右手法來確定。??-2??系了系統(tǒng)誤差。傳統(tǒng)衍射花樣由點探測器或位統(tǒng)固定在XYZ坐標系中,在方位上與樣敏線探測器采集數(shù)據(jù),得出散射強度與2??角
LLL
品取向是相互關(guān)聯(lián)的,這是處理二維數(shù)據(jù)時的圖線。有了2D探測器后,可測量到的衍的一個非常重要的概念。參考坐標系中衍射射范圍就不再局限在衍射儀平面內(nèi)了,而是矢量的單位矢量為:擴大到整個或者大部分的德拜環(huán),一次曝光??42??
TT!和?是??、#、?、%以及
2??的函數(shù)。TT極圖角度(!,?)處的極密度和同樣角度的積分強度成比例。TTTT當??值從0 到360 變化時,這個矢量描??I(!)=NP(!)(2)hklhklhkl述了一個衍射圓錐。TT?這里I(!)是經(jīng)校正吸收、偏振以
hkl
及背低強度等后的積分強度。N是歸一化2.5??用XRD2裝置進行織構(gòu)測量hklTT?因子,P(!)是極密度分布函數(shù)。極圖hkl織構(gòu)的測量主要是基于衍射環(huán)上的角度TT角度(!,?)、樣品取向(,%,)以及衍12和強度分布,XRD2系統(tǒng)測量織構(gòu)的好處在射圓錐(2??,??)之間的關(guān)系為:于它可以同時測量多個衍射環(huán)上的弧段數(shù)T-1!=sinh(3)3據(jù),以縮短數(shù)據(jù)采集的時間。2D探測器測量 h1-1cot如果h,(0
2h2T?=(4)的參數(shù):積分強度I和布拉格角2??。h-11&+cot如果h<0,(&
12312
3衍射矢量H單位矢量的分量,它們由式hkl(1)給出。沿衍射圓錐分布的衍射強度就可以通過??、、%、、123TT以及2??轉(zhuǎn)化成每個,!,?處的極密度。極圖的相對強度經(jīng)過歸一化處理后就是在極球上積分的整圖5??強構(gòu)引起的衍射圓錐強度沿??角的變化個衍射強度的分數(shù)。從圖5中可明顯的看到由于織構(gòu)引起的衍
3??結(jié)語
射圓錐強度沿??角變化,對于織構(gòu)樣品,強度I是??和取向(, ,)的函數(shù),即I=I(, ,12312XRD2系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)點探測器測量織),該函數(shù)只取決于取向分布函數(shù)。將不同的3構(gòu)具有很多優(yōu)點,2D探測器可以同時探測多(hkl)法線進行極射赤面投影就可以得到極圖。個衍射圓環(huán),每一個圓環(huán)都表示極點的連續(xù)
T
極圖中的每一個點的位置都由極角!和輻角強度分布,并且考慮到了衍射圓錐強度沿??TTT?決定。!,?在投影圖中的定義如圖6所示。角的變化,使得測量的結(jié)果更加準確、快速。
上述內(nèi)容詳細地解釋了2D探測器的衍射幾何,以及在織構(gòu)的測量中,極圖數(shù)據(jù)的采集,衍射強度與??、、%、的關(guān)系,衍射矢量與12上面三個坐標系中參量的關(guān)系。通過對這些知識的了解就可非常清楚的知道極圖和ODF函數(shù)獲得的測試原理及分析方法。參考文獻(略)?TT圖6??!在極射赤面投影圖中的定義??43??
第五篇：X射線衍射技術(shù)在納米材料科學(xué)的應(yīng)用
X射線衍射技術(shù)在納米材料科學(xué)的應(yīng)用
摘要
本文介紹了包括X射線的性質(zhì)、X射線衍射技術(shù)在納米材料上的應(yīng)用、物相定量分析、點陣參數(shù)的測定、結(jié)晶度的測定、晶粒大小測定等一系列X射線衍射技術(shù)在納米材料科學(xué)上的應(yīng)用，同時隨著科學(xué)的不斷進步與發(fā)展，相信X射線衍射技術(shù)一定會越發(fā)的走向成熟，為人類的生活與科學(xué)的發(fā)展提供方便和進步。
X射線的性質(zhì)
X射線的本質(zhì)與可見光、紅外線輻射、紫外線以及宇宙射線完全相同，均屬電磁波或電磁輻射，同時具有波動性和粒子性特征，波長較可見光短，約為晶體常數(shù)為同一數(shù)量級。X射線是用人的肉眼不可見的，但能使某些物質(zhì)（鉑氰化鋇）發(fā)出可見熒光；具有感光性，能使照相底片感光；具有激發(fā)本領(lǐng)，使氣體電離。
X射線沿直線傳播，經(jīng)過電場時不發(fā)生偏轉(zhuǎn)；具有很強的穿透能力，波長越短，穿透物質(zhì)的能力越大；與物質(zhì)能相互作用。
另外，X射線通過物質(zhì)時可以被吸收，使其強度衰減，偏振化——即經(jīng)物質(zhì)后，某些方向強度強，某些方向弱；能殺死生物細胞，實驗中要特別注意保護。X射線的波長為 λ=10-10cm～10-6cm。X射線在空間傳播具有粒子性，或者說X射線是由大量以光速運動的粒子組成的不連續(xù)的粒子流,這些粒子叫光量子。
X射線衍射技術(shù)在納米材料上的應(yīng)用
由X射線衍射原理可知，物質(zhì)的X射線衍射花樣與物質(zhì)內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)。每種結(jié)晶物質(zhì)都有其特定的結(jié)構(gòu)參數(shù)（包括晶體結(jié)構(gòu)類型，晶胞大小，晶胞中原子、離子或分子的位置和數(shù)目等）。因此沒有兩種不同的結(jié)晶物質(zhì)會給出完全相同的衍射花樣。通過分析待測試樣的X射線衍射花樣，不僅可以知道物質(zhì)的化學(xué)成分，還能知道他們飛存在狀態(tài)，既能知道某元素是以單質(zhì)存在或者以化合物、混合物及同素異構(gòu)體存在。同時，根據(jù)X射線衍射試驗還可以進行結(jié)構(gòu)物質(zhì)的定量分析、晶粒大小的測量和晶粒的取向分析。目前，X射線衍射技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域的材料分析與研究工作中。X射線衍射技術(shù)發(fā)展到今天，已經(jīng)成為最基本、最重要的一種結(jié)構(gòu)測試手段，其主要應(yīng)用有以下幾個方面：
物相定量分析
不同的多晶體物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和組成元素各不相同，他們的衍射花樣在線條數(shù)目、角度位置、強度上就呈現(xiàn)出差異，衍射花樣與多晶體的結(jié)構(gòu)和組成有關(guān)，一種特定的物相具有自己獨特的一組衍射線條（即衍射譜），反之不停的衍射譜代表著不同的物相。若多種物相混合成一個試樣，則其衍射譜就是其中各個物相衍射譜疊加而成的復(fù)合衍射譜。因而，我們可以通過測試試樣的復(fù)合衍射譜，并對復(fù)合衍射譜進行分析分解，從而確定試樣由哪幾種物質(zhì)組成。
物相定量分析的任務(wù)是用X射線衍射技術(shù)，準確測定混合物中風(fēng)各相的衍射強度，從而求出多相物質(zhì)中各相的含量。其理論基礎(chǔ)是物質(zhì)參與衍射的體積或者重量與其產(chǎn)生的衍射強度成正比，因而，可通過衍射強度的大小求出混合物中某相參與衍射的體積分數(shù)或者重量分數(shù)，從而確定混合物中某相的含量。
X射線衍射物相定量分析方法有：內(nèi)標法、外標法、絕熱法、增量法、無標樣法、機體沖洗法和全譜擬合法等常規(guī)分析方法。內(nèi)標法和絕熱法和增量法等都需要在待測樣品中加入?yún)⒖紭讼嗖⒗L制工作曲線，如果樣品含有的物相較多、譜線復(fù)雜，再加入?yún)⒖紭讼鄷r會進一步增加譜線的重疊機會，從而給定量分析帶來困難；外標法雖然不需要在樣品中加入?yún)⒖紭讼?，但需要用純的待測相物質(zhì)制作工作曲線；機體沖洗法、無標樣法、和全譜擬合法等分析方法不需要配制一系列內(nèi)標標準物質(zhì)和繪制標準工作曲線，但需要復(fù)雜的數(shù)學(xué)計算，如聯(lián)立方程法和最小二乘法等?？傊?，X射線衍射方法進行物相定量分析方法很多，但是有很多方法需要有純的物質(zhì)作為標樣，二有時候純的物質(zhì)難以得到，從而使得定量分析難以進行，從這個意義上說，無標樣定量分析法具有較大的使用價值和推廣價值。
點陣參數(shù)的測定
點陣參數(shù)是物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，任何一種晶體物質(zhì)在一定狀態(tài)下都有一定的點陣參數(shù)。測定點陣參數(shù)在研究固態(tài)相變、確定固溶體類型、測定固溶體溶解度曲線、測定熱膨脹系數(shù)等方面都得到了應(yīng)用。點陣參數(shù)的測定是通過X射線衍射線位置的測定而得到的，通過測定衍射花樣中每一條衍射線的位置均可得出一個點陣常數(shù)值。
如采用X射線衍射技術(shù)測量不同配比條件下Fe2O3和Cr2O3的固溶體的點陣參數(shù)，根據(jù)Vegard定律計算出固溶體中某相的固溶度隨工藝參數(shù)的變化趨勢仍然是非常有效的。通過衍射技術(shù)計算出低碳鋼中馬氏體的點陣常數(shù)，并建立了一個馬氏體點陣參數(shù)隨固溶體碳量變化的新經(jīng)驗方程，因此根據(jù)試驗數(shù)據(jù)所獲得的回歸方程可成為鋼中α相（過飽和）含碳量的實用的標定方法（特別在低碳范圍）。
結(jié)晶度的測定
晶粒度定義為結(jié)晶部分重量與總的試樣重量之比的百分數(shù).現(xiàn)在非晶態(tài)合金應(yīng)用非常廣泛, 如軟磁材料等, 而結(jié)晶度直接影響材料的性能, 因此結(jié)晶度的測定就顯得尤為重要了.測定結(jié)晶度的方法很多, 但不論哪種方法都是根據(jù)結(jié)晶相的衍射圖譜面積與非晶相圖譜面積決定。
晶粒大小的測定
利用X射線衍射技術(shù)除了進行晶粒度的測定等，還可以用來進行晶粒大小的測定。多晶體材料的晶粒尺寸是影響其物理、化學(xué)等性能的一個重要因素。用X 射線衍射法測量小晶粒尺寸是基于衍射線剖面寬度隨晶粒尺寸減小而增寬這一實驗現(xiàn)象, 這就是1918年謝樂(Scherrer)首先提出的小晶粒平均尺寸與衍射線真實寬度之間有的數(shù)學(xué)關(guān)系, 該式也稱為謝樂公式, 其中D 為晶粒的平均尺寸;K 為接近1的常數(shù);λ為特征X射線衍射波長;B1為衍射線剖面2的半高寬, 即半峰寬, θ為布拉格角。
D=
KλBcosθ12
宏觀應(yīng)力的測定
在材料部件宏觀尺度范圍內(nèi)存在的內(nèi)應(yīng)力分布在它的各個部分，相互保持平衡，這種內(nèi)應(yīng)力成為宏觀應(yīng)力。按照布拉格定律可知，在一定波長輻射發(fā)生衍射的條件下，晶面間距的變化導(dǎo)致衍射角的變化，測定衍射角的變化就可算出宏觀應(yīng)變，因而可進一步計算得到應(yīng)力大小?？傊?，X射線衍射測定應(yīng)力的原理是以測量衍射線位移作為原始數(shù)據(jù)，所測得的結(jié)果實際上是應(yīng)變，而應(yīng)變則是通過胡克定律由應(yīng)變計算得到。
借助X射線衍射方法來測定試樣中宏觀應(yīng)力具有以下優(yōu)點： 1)不用破壞試即可測量；
2)可以測量試樣上小面積和極薄層內(nèi)的宏觀應(yīng)力，如果與剝離方法相結(jié)合，還可以測量宏觀應(yīng)力在不同深度上的梯度變化； 3)測量結(jié)果可靠性高等。
微觀應(yīng)力的測定
微觀應(yīng)力是指由于形變、相變、多相物質(zhì)的膨脹等因素引起的存在于材料內(nèi)各晶粒之間或晶粒之中的微觀應(yīng)力。當一束X射線入社到具有微觀應(yīng)力的樣品上時，由于微觀區(qū)域應(yīng)力取向不同,各晶粒的晶面間距產(chǎn)生了不同的應(yīng)變,即在某些晶粒中晶面間距擴張,而在另一些晶粒中晶面間距壓縮,結(jié)果使其衍射不像宏觀內(nèi)應(yīng)力所影響的那樣單一地向某一方向位移,而是在各方向上都平地作了一些位移,總的效應(yīng)是導(dǎo)致衍射線漫散寬化。材料的微觀殘余應(yīng)力是引起衍射線線形寬化的主要原因,因此衍射線的半高寬即衍射線最大強度一半處的寬度是描述微觀殘余應(yīng)力的基本參數(shù)。錢樺等在利用X射線衍射研究淬火65Mn 鋼回火殘余應(yīng)力時發(fā)現(xiàn):半高寬的變化與回火時間、溫度密切相關(guān)。硬度變化規(guī)律相似,半高寬也是隨著回火時間的延長和回火溫度的升高呈現(xiàn)調(diào)下降的趨勢。因此,X 射線衍射中半高寬—回火時間、溫度曲線可以用于回火過程中殘余應(yīng)力消除情況的判定。
由多晶材料得到類單晶衍射數(shù)據(jù)
確定一個晶態(tài)材料晶體結(jié)構(gòu)最有力的手段是進行單晶X射線衍射，通常要求單晶的粒徑在0.1～1mm之間，但是合乎單晶結(jié)構(gòu)分析用的單晶又是難以獲得，切所發(fā)現(xiàn)的新材料通常是先獲得多晶樣品，因此，僅僅依靠單晶衍射進行結(jié)構(gòu)測定顯然不能適應(yīng)新材料研究快速發(fā)展的狀況.為加速研究工作的進展,以及對復(fù)合材料和納米材料等的結(jié)構(gòu)研究, 都只能在多晶材料下進行研究和測定其晶體結(jié)構(gòu), 因此, X射線粉末衍射法在表征物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu), 提供結(jié)構(gòu)信息方面具有極其重要的意義和實際應(yīng)用價值。
近年來, 利用粉末衍射數(shù)據(jù)測定未知結(jié)構(gòu)的方法獲得了很大的成功, 這種方法的關(guān)鍵在于正確地對粉末衍射圖譜進行分峰, 確定相應(yīng)于每一個面指數(shù)(hkl)的衍射強度, 再利用單晶結(jié)構(gòu)分析方法測定晶體結(jié)構(gòu)。從復(fù)雜的氧化物到金屬化合物都可利用此方法測定晶體結(jié)構(gòu)。
晶體結(jié)構(gòu)測定還有一些經(jīng)驗方法，如同構(gòu)型法、傅里葉差值法和嘗試法等。對于較為復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu), 人工嘗試往往受到主觀因素和計算量大的限制, 存在著可行的模型被忽略的可能性。目前計算機技術(shù)在材料相關(guān)系、晶體結(jié)構(gòu)研究和新材料探索中的應(yīng)用越來越廣泛, 其中計算機模擬法是對待測的晶體結(jié)構(gòu), 先給定一個隨機的模型, 根據(jù)設(shè)定的某一判據(jù), 指導(dǎo)計算機沿正確的方向?qū)ふ医Y(jié)構(gòu)中的原子位置, 以獲得初略結(jié)構(gòu), 繼而可采用差值傅里葉合成和立特沃爾德法修正結(jié)構(gòu)。以衍射強度剩差最小為判據(jù)的蒙特-卡洛（Monte-Carlo）法、以體系能量最低為判據(jù)的能量最小法以及模擬退火法和分子動力學(xué)模擬法等都屬于粉末衍射晶體結(jié)構(gòu)測定的計算機模擬法。
結(jié)束語
X射線衍射技術(shù)發(fā)展到今天，已經(jīng)滲透到包括物理、天文、生命科學(xué)和材料科學(xué)等各個研究領(lǐng)域中，成為非常重要的近代物理學(xué)分析方法。通過X射線衍射分析，可以測得試樣的晶粒度、晶粒大小、點陣參數(shù)、試樣的物質(zhì)構(gòu)成以及物質(zhì)含量，同時還可以由多晶材料得到類單晶衍射數(shù)據(jù)，從而獲得試樣的晶體結(jié)構(gòu)。同時我也相信，隨著技術(shù)手段的不斷創(chuàng)新和設(shè)備的不斷完善升級,X射線衍射技術(shù)在材料分析領(lǐng)域必將擁有更廣闊的應(yīng)用前景。
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