XRD基础知识与分析方法

01
02
2 XRD在薄膜材料
研究中的应用
03
04 05
2.1 物相分析（定性、定量） 2.2 晶粒取向测定 2.3 晶胞参数的测定 2.4 晶粒尺寸的测定 2.5 应力应变的测量
2.1物相分析（定性、定量）
X射线
物相分析指的是对物质中各组成成 分的存在的状态、形态、价态进行确定 的分析方法。
每种物质都有特定的晶格类型和 晶胞尺寸，而这些又都与衍射角和衍 射强度有着对应关系，可以用衍射图 像来鉴别晶体物质，即将未知物相的 衍射花样与已知物相的衍射花样相比 较。因此，X射线衍射分析可得出材 料中物相的结构及元素的存在状态。 根据衍射特征来鉴定晶体物相的方法 称为物相分析法。
产生X-射线的方法，是使快速移动的电子（ 或离子）骤然停止其运动，则电子的动能可部 分转变成X光能，即辐射出X-射线。
X射线管
X射线管产生X射线的特点：当高速电子束轰击金属靶时会产生两种不同的X射线。 一种是连续X射线，另一种是特征X射线。它们的性质不同、产生的机理不同，用途也 不同。
X射线衍射分析利用的是特征X射线；而X射线荧光光谱分析利用的是连续X射线。
• 式中：I0为单位截面积上入射的单色X射线强度；|F|称为结构因子，取决于晶体 的结构以及晶体所含原子的性质。K是一个综合因子，它与实验时的衍射几何条 件，试样的形状、吸收性质，温度以及其它一些物理常数有关。
• 结构因子F可由下式求算：
式中：fi是晶体单胞中第i个原子的散射因子，（xi、yi、zi）是第i个原子的坐标，h、k 、l是观测的衍射线所对应面网（hkl）的衍射指数，公式求和计算时需包括晶体单胞内 所有原子。
X射线衍射分析技术
汇报人：
目录
1 XRD 基本知识 2 XRD在薄膜材料研究中的应用 3 X射线衍射仪介绍
1 XRD 基本知识
01 1.1 X射线介绍 02 1.2 X射线衍射与布拉格方程
03 1.3 衍射线的强度
1.1 X射线介绍
• 1895年德国物理学家伦琴（W.C. Roentgen）研究阴 极射线管时，发现阴极管能放出一种有穿透力的肉 眼看不见的射线。由于它的本质在当时是一个“未 知数”，故称之为X射线。
1.2 X射线衍射与布拉格方程
一束波长为λ的Ｘ射线透过晶体时，某一特定方向上的散射X射线发生叠加，这 种现象称为X射线衍射。布拉格方程解决了衍射线的方向。
布拉格方程： 2dsinθ= nλ（n=1,2…）
当晶面与X射线之间满足上述几何关系时，X射线的衍射强度将相互加强。不同晶面的 反射线若要加强，在晶体产生衍射的必要条件是相邻晶面反射线的程差为波长的整数倍。
• 而X射线对于晶体的衍射强度则决定于晶体中原子的元素种类及其排列的位置。 此外，强度还与诸多其它的因素有关。
• 能否产生衍射花样取决于衍射线的强度，衍射强度不为零是产生衍射花样的充 分条件。
横坐标2——衍射方向(衍射线在空间分布的方位)
物质衍射线强度的表达式很复杂， 但是可以简明地写成下面的形式：
2dsinθ=nλ
式中 θ为入射线（或反射线）与晶面的夹角，称为掠射角或者反射角；入射线与衍 射线之间的夹角为2θ，称为衍射角；d为晶面间距，λ为X射线的波长，n为反射的级数。
d取决于晶胞类型和干涉指数，反映晶胞形状和大小。 晶胞相同时，不同的干涉指数（HKL）有不同的衍射方向（θ）； 不同的布拉格衍射角反映了晶胞的形状和大小，建立了晶体结构与衍射方向之间的 对应关系。
布拉格方程的应用： （1）已知晶体的d值，通过测量θ，求特征X射线的λ，并通过λ判断产生特征X射线 的元素。这主要应用于X射线荧光光谱仪和电子探针中。 （2）已知入射X射线的波长，通过测量θ，求面网间距。并通过面网间距，测定晶 体结构或进行物相分析。
1.3 衍射线的强度
• 布拉格方程确定了衍射线的方向，并与晶体结构的基本周期相联系。通过对衍 射方向的测量，理论上我们可以确定晶体结构的对称类型和晶胞参数。但不能 确定原子的种类和排布的位置。
• 将 (d-I )试样与PDF卡片中的 (d-I )卡片对照进行未知物相的鉴定。
单物相定性分析-多晶Si的XRD图谱
射线掠入射原理示意图
X射线掠入射法鉴定薄膜物相实例
上图为未知多层薄膜样品的物相分析结果，揭示出主要有如下几层：ZnO、CuGa0.3、 In0.7Se2、CdS、Mo、Ga 五层结构，还可提供出每一层的厚度（随着掠射ω角的增大，X 射线的穿透深度增大，信息获取深度也不同材料状态以及相应的XRD谱
四种典型聚集态衍射谱图的特征示意图
Au薄膜样品的物相鉴定实例
常规X射线衍射能量较高，可穿透样品几个微 米。而纳米薄膜及材料表层很薄，甚至只有几个 原子层，所占体积份额极小，故薄膜的基底衍射 信号会把表面衍射信号全部掩盖。采用X射线掠 入射技术把入射X射线以与样品表面近于平行的 方式入射，其夹角仅1°左右。这样，入射X射线 束与样品表面的作用面积很大，增大了参与衍射 的薄膜的体积，使表面信号的比例增加，从而得 到样品表面不同深度处的结构信息。
• 1896年，伦琴将他的发现和初步的研究结果写了一 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。
X射线的本质是一种电磁波，它具有波粒二 象性。即它既具波动性，又具有粒子性。X射 线的波动性表现在它以一定的波长和频率在空 间传播。X射线的波长范围为0.01～100Å ，介 于γ射线和紫外线之间。
衍射仪法得到衍射图谱，用“粉末衍射标准联合会（JCPDS）”负责编辑出 版的“粉末衍射卡片（PDF卡片）”进行物相分析。
主要分析方法如下： 将由衍射花样及计算获得的d -I 数据组与已知物质的d –I 数据组（由PDF
卡片提供）进行对比，从而鉴定出试样中存在的物相。 即：
• 获得样品的衍射花样： (2－I )试样数据组， • 用布拉格方程将 (2－I )试样转换成 (d-I )试样 ；