XRD实验报告

xx大学

材料科学实验 实验报告

实验名称：XRD 测试晶体结构与精修 辅导员意见： 材料 系 专业 班第 实验小组 作者 学号 实验日期 年 月 日 成绩： 辅导员签名 一、实验目的

1.学习 X-射线衍射物相定量分析的方法和步骤 2.了解 X-射线衍射精确测定晶胞参数的方法 3.掌握 Pullprof 晶体结构的精修 二、 实验原理：

X射线在晶体中的衍射光波经过狭缝将产生衍射现象。狭缝的大小必须与光波的波长同数量级或更小。由图4-4a可知，当入射X射线与晶面相交θ角时，假定晶面就是镜面（即布拉格面，入射角与出射角相等），那末容易看出，图中两条射线1和2的光程差是AC+ DC，即2dsin θ。当它为波长的整数倍时（假定入射光为单色的，只有一种波长）

2d sin θ = nλ ，n =1，2， 布拉格（Bragg）公式

在θ 方向射出的X 射线即得到衍射加强。根据布拉格公式，即可以利用已知的晶体（d 已知）通过测θ角来研究未知X射线的波长；也可以利用已知X射线（λ 已知）来测量未知晶体的晶面间距。

三、 实验步骤

1. 样品制备 2. XRD 测试样品 3. 学生自带笔记电脑，安装 Fullprof 和UltraEdit 程序（老师给） 4. 结构精修 5. 结构输出及分析

四、 晶体结构测试与精修时应注意事项 1、晶体的各向异性温度因子是如何定义的？

答：晶体中的原子普遍存在热运动，这种运动在绝对零度时也未必停止。通常所谓的原子坐标是指它们在不断振动中的平衡位置。随着温度的升高，其振动的振幅增大。这种振动的存在增大了原子散射波的位相差，影响了原子的散射能力，即衍射强度。在晶体中，特别是对称性低的晶体，原子各个方向的环境并不相同，因此严格的说不同方向的振幅是不等的，由此引入了各向异性温度因子。

2、 在进行 Rietveld 结构精修时，是否该对温度因子进行约束？如何约束以及约 束范围？

答：由于温度因子是随着衍射角的增加而对强度的影响增大，所以，如果要精修温度因子，就一定要收集高角度的数据。

3、Fullprof 精修时，Biso 的值给如何设定？是否有个大概的取值范围？

答：Biso 是温度因子，occu 是占有率。，Biso 与原子的位置有关系。温度因子是反映原子或离子偏离平衡位置的程度，因为晶胞中各原子都要做热振动的。 对于立方晶系，各向同性，只修各向同性温度因子就可以了。温度因子和占 有率都是影响强度的参数，所以之间有一定的相关性。而且，温度因子对高角度峰的强度影响比较大，所以，如果要精修温度因子，最好收到高角度的数据 。

4、Fullprof 精修中的 scale 的初值一般是怎么确定的?

答：比例因子 scale 是指理论计算数据与实验数据之间的比值，一般随便给就可以，不会影响精修的。只要你的初始模型正确，几轮就可以修到比较合理的值。

5、Z,f,t,该怎么取值？

答：AZT = Z*Mw*f^2/t

(useful to calculate the weight percentage of the phase) Z: Number of formula units per cell

Mw:molecular wheight

f: Used to transform the site multiplicities to their true values. For a stoichiometric phase f=1 if these multiplicities are calculated by dividing the Wyckoff multiplicity m of the site by the general multiplicity M. Other wise f=Occ.M/m, where Occ. is occupation number.

t: Is the Brindley coefficient that accounts for microabsorption effect s. It is required for quantitative phase analysis only. When phases have like absorption (in most neutron uses), this factor is nearly 1. If IMORE=1 the Brindley-coeff is directly read in the next line (in such case ATZ=Z.Mw.f^2).

这里说明一下，ATZ 的值只有在做定量分析的时候有用，如果不做定量分析， 只做结构精修，则可以随便给一个值即可。 general position of the group 就 是晶体学国际表中某个空间群的一般等效点系数，可以从晶体学国际表查得：

International Tables for Crystallography, Volume A: Space Group Symmetry。

6、 对于几个 R 因子，Rp, Rwp，Rexp 等参数的值大小一般要为多大精修的结 果才可靠?

答：Rp, Rwp 参数的值大小通常和你的数据质量、结构模型等有关，目前好像没人说这个值应该是多少。Rexp 是一个期望的因子，它与数据点数、精修参数 的个数等有关。对于晶胞参数，通常主要看 R-Bragg 因子。对于这些因子你 可以看看这篇文献：J. Res. Natl. Inst. Stand. Technol. 109, 107-123 (2004)

7、什么是标准半峰宽度，如何得到？

答：所谓的标准半峰宽应该是指仪器本身的宽化因子，和实验时使用的狭缝条件关系最大，想得到它并不难：比如在相同的测量条件下，把 Si 标样放到仪器上测量 Si 的各个衍射峰 的 Kα1 峰的半高宽，就是所谓的标准了。当你需要测量一系列非标样 Si 粉时， 就把标样 Si 的 Kα1 峰的半宽作为标准半峰宽使用就可以了。但，有很多时候合适的标准物质很难得到，你就用另外的标准物质（出峰位置很相近的标准物质）代替，也完全没有问题。也可以根据 Si 标样在整个扫描范围内的 衍射峰的 Kα1 峰的半高宽作出仪器宽化因子-2θ 关系曲线来得到任意进度的仪器宽化因子。因为谢乐方程的适用条件也就是几十到 200nm 之间，超出这个范围误差是很大的。只要你在进行相同的一系列计算时使用 相同的一个参数就一般就可以满足研究工作的要求了。

8、为什么晶粒尺寸的变化会引起 X 射线衍射的峰线宽化？

答:理想的晶体是在三维空间中无限的周期性延伸的，所以，如果不考虑仪器宽化的因素，那么理想晶体的衍射峰应该是一条线，但是实际晶体都是有尺寸的，即，周期性不是无限的，这就造成了由于结晶粒度引起的宽化，如果结晶粒度无限小下去，衍射峰就会宽化直至消失变成大鼓包了，也就是非晶了。 [衍射图数据收集方面的问题]

收集 XRD 应注意些什么?

(比如收集角度泛围、速度等有什么要求？ 衍射峰的强度和很多因素有关，比如样品的衍射能力，性质，还有仪器功率，测试方法，检测器的灵敏度等等。

9、XRD 峰整体向右偏移是什么原因造成的? 答：可能是离子半径小的元素取代了离子半径大的元素。也可能是你制样时，样品表面高出了样品座平面，或者仪器的零点不准造成的，建议你最好用标样来修正你的数据。

10、做 X射线衍射时，一些（仪器）参数对谱线有什么影响？ 答：如何选择仪器参数主要取决于做 X 射线衍射的目的。比如：扫描速度，如果是一般鉴定就可以取快一些（4-8 度/分），如果是精修晶胞参数就要扫慢一 些；狭缝条件，狭缝越小分辨率越高，但强度就会减小，不宜快扫，这又要增加时间。还要根据的样品的衍射能力、结晶度等因素来定。如果是步进扫描：测定晶胞参数可以取每个步进度 1-30 秒，如果做结构精测 30 秒到数分钟不等（对于普通功率的衍射仪，40kV、40mA）

11、衍射峰左右不对称是何原因? 答：衍射仪获得的衍射峰形（精确地说是衍射线的剖面，diffraction line profile）是不对称的，尤其是在低角度区（2θ < 30°）表现更为明显。峰型不对称是由多方面的因素造成的，主要是衍射仪光路的几何因素、仪器的调整状况以及样品的吸收性质等。

12、磁性材料比如 NdFeB 或者 NdFeN 的粉末，是不是会因为磁性的存在会产生择优取向？

答：磁性材料肯定是最具择优取向的,否则就没有磁性了，制样时应当磨成粉末, 可以抑制这种取向趋势。\择优取向\会使很多本来有的衍射峰出不来。

13、为什么有的 XRD data 中，有（200（）400）面，而没有最基本的（100）面 数据？或者有（220）而没有（110）？

答：粉晶衍射不一定能出现所有的面网，很多物质的粉晶衍射都不一定出现（100）（110），这与结构有关。晶体衍射有个叫\消光\的现象，晶体的\消光规律 \决定于它的结构的对称性，不同的空间群其\消光规律\不同。如果应该出现的衍射而没有出现，那就是样品的择优取向引起的。 再者（100）面的角度比较低，有时是没有扫到或淹没在低角度的背景中了。

五、精修参数及操作