台式x射线衍射仪测试方法

台式X射线衍射仪测试方法：深度解析与实践指南

在材料科学、化学、物理、地质学以及质量控制等众多领域，X射线衍射（XRD）技术因其独特的无损分析能力，成为鉴定晶体结构、测定物相组成、量化晶体结构参数的关键手段。尤其对于实验室和研发机构而言，台式X射线衍射仪以其紧凑的设计、灵活的操作和出色的性价比，正日益成为重要的分析工具。本文将深入探讨台式X射线衍射仪的几种核心测试方法，并结合实际数据，为广大从业者提供一份实用的操作指南。

1. 粉末衍射（Powder Diffraction）

粉末衍射是台式X射线衍射仪常用的测试模式，适用于对粉末状或细颗粒样品的物相分析。其核心在于，当样品中的微晶随机取向时，入射X射线与晶面发生衍射，形成一系列具有特定角度（2θ）和强度的衍射线，这些衍射峰的位置和强度组合构成了样品的“指纹”。

测试步骤与数据示例：

1. 样品制备： 收集到的粉末样品需均匀研磨至粒径小于40微米，以确保微晶的随机取向。将粉末平铺在样品台的凹槽中，并用刮刀刮平，避免出现因堆积不均导致的择优取向。
2. 仪器参数设定：
   • X射线源： 常用的有Cu Kα (λ=1.5418 Å)，管电压40 kV，管电流30 mA。
   • 扫描范围： 根据预期的物相，通常设定在5°至 90° (2θ) 之间。
   • 步长与扫描速度： 例如，步长 0.02°，扫描速度 2°/min，总扫描时间约35分钟。
   
   
3. 数据采集与分析： 仪器记录下2θ与衍射强度（Counts）的关系曲线。通过与标准图谱数据库（如JCPDS/ICDD）比对，识别出样品中的各晶相。

数据解读示例：

假设我们测试的是一种样品，得到了以下几个主要的衍射峰（2θ，Intensity）：

• (100) 晶面：2θ = 20.85°，Intensity = 5000 counts
• (110) 晶面：2θ = 35.60°，Intensity = 8000 counts
• (200) 晶面：2θ = 45.70°，Intensity = 3000 counts

通过与标准卡片对比，可以确定其中包含的晶相。若出现择优取向，则特定方向的衍射峰强度会异常增强或减弱，这需要通过改变样品制备方法或使用特殊附件来修正。

2. 薄膜应力测试（Stress Measurement）

薄膜材料在制备过程中容易引入内应力，应力状态会显著影响薄膜的机械性能、电学性能和光学性能。台式X射线衍射仪可以通过“sin²ψ法”来测量薄膜的残余应力。

原理与数据分析：

该方法基于晶格常数随应力状态的变化。当X射线束与样品表面成一定角度入射时，通过改变样品台的角度（ψ角），可以测量同一晶面族在不同应力方向上的衍射峰位置。晶格常数的变化会引起衍射峰位置（2θ）的偏移。

• 测量方法： 选择一个有代表性的、强度较好的衍射峰，在多个ψ角度下（例如 0°, 15°, 30°, 45°, 60°）测量其2θ值。
• 数据处理： 将测得的2θ值转换为d值（根据Bragg定律 $2d\sin\theta = n\lambda$），然后绘制 $d^2$ 或 $\sin^2\psi$ 与 d 值（或 2θ 值）的关系图。通过线性拟合，根据斜率计算应力张量。

关键考虑：

• 晶面选择： 选择对力敏感且衍射峰清晰的晶面。
• 应力张量： 测量得到的是平均应力，更复杂的应力分布需要多点扫描或特殊样品台。
• 薄膜厚度： X射线穿透深度有限，确保测量的是薄膜本身的应力，而非基底的影响。

3. 薄膜厚度与粗糙度估算（Thickness and Roughness Estimation）

对于厚度在纳米至微米级别的薄膜，X射线衍射仪还能通过X射线反射（XRR）技术提供信息。

测试原理：

当X射线以掠入射角（通常小于5°）照射到材料表面时，会发生全反射现象。反射强度随入射角的变化，会呈现出由薄膜的密度、厚度和界面粗糙度引起的干涉条纹。

• 数据分析： 拟合反射强度曲线，可以得到薄膜的厚度，以及上、下界面的粗糙度。

应用价值：

XRR测试为薄膜制备过程的优化提供了直接的数据支持，尤其在半导体、光学涂层等领域具有重要意义。

4. 定量分析（Quantitative Analysis）

除了定性分析物相，XRD还可以用于材料中各组分的定量。

常用方法：

• Rietveld精修（Rietveld Refinement）： 这是最精确的定量方法。通过建立晶体结构模型，并利用仪器采集到的衍射数据进行拟合，可以精确计算出各晶相的含量（质量百分比）。
• 内标法（Internal Standard Method）： 在样品中加入已知质量百分比的内标物，根据目标物相和内标物的衍射峰强度比例，计算出目标物相的含量。

数据示例（Rietveld精修）：

某复合材料中，经过Rietveld精修，计算出：

• 相A含量：65.3 ± 1.2 % wt
• 相B含量：22.1 ± 0.8 % wt
• 相C含量：12.6 ± 0.5 % wt

结论

台式X射线衍射仪的功能远不止于简单的物相鉴定。通过熟练掌握粉末衍射、薄膜应力测量、XRR以及定量分析等多种测试方法，并结合准确的数据处理与分析，我们可以更深入地理解材料的微观结构，为科研创新和工业生产提供坚实的数据支撑。选择合适的测试方法，精细化的样品制备，以及对仪器参数的深刻理解，是获得高质量、可靠数据的关键。