纳米微粒尺寸测量

X射线衍射仪测纳米微粒尺寸

一．实验目的：

1. 掌握X 射线衍射的原理，了解X 射线衍射仪的操作步骤。

2．了解X射线的基本性质，理解X射线衍射的原理，晶体对X射线的衍射。3．学习和了解衍射谱的峰位于晶面的关系，衍射强度与晶体参数和状态的关系。

二. 实验原理

1. X 射线衍射仪的原理

X 射线是一种波长很短(约为0.01～100Å)的电磁波，能穿透一定厚度的物

质，并能使荧光物质发光、照相乳胶感光、气体电离。在用电子束轰击金属“靶”产生的X 射线中,包含与靶中各种元素对应的具有特定波长的X 射线，称为特征（或标识）X 射线。考虑到X 射线的波长和晶体内部原子间的距离相近，1912 年德国物理学家劳厄(M.von Laue)提出一个重要的科学预见：晶体可以作为X

射线的空间衍射光栅,即当一束X 射线通过晶体时将发生衍射，衍射波叠加的结果使射线的强度在某些方向上加强，在其他方向上减弱。分析在照相底片上得到的衍射花样，便可确定晶体结构。这一预见随即为实验所验证。1913 年英国物

理学家布喇格父子(W.H.Bragg,W.L.Bragg)在劳厄发现的基础上,不仅成功地测

定了NaCl、KCl 等的晶体结构,并提出了作为晶体衍射基础的著名公式──布喇

格定律：2dsinθ=nλ

式中λ为X 射线的波长，n 为任何正整数。

当X 射线以掠角θ(入射角的余角)入射到某一点阵平面间距为d 的原子面上

时(图1),在符合上式的条件下，将在反射方向上得到因叠加而加强的衍射线。

布喇格定律简洁直观地表达了衍射所必须满足的条件。因此，当波长为λ单色X 射线以一定的入射角射向粉晶时，无规则排列的粉晶中总有许多小晶粒中某些面网处于满足布喇格方程的位置，从而产生衍射线。采用辐射探测器以一定角度绕样品旋转，则可接收到粉晶中不同面网，不同取向的全部衍射线，获得相应的衍射谱图。

已知波长λ，测出θ后，利用布喇格公式即可确定点阵平面间距、晶胞大小

和类型；根据衍射线的强度,还可进一步确定晶胞内原子的排布。这便是X 射线

结构分析中的粉末法或德拜-谢乐(Debye—Scherrer)法的理论基础。

三. 实验仪器及试样

X射线衍射仪（DX-2600），

数据处理系统（Jade 6），

铜纳米颗粒（0.13KP，10*0.13KP，30*0.13KP），

面粉，

ZnO（Co）ZnO（Co）

四. 实验步骤

1. 打开空调，待室温到18℃以上再开机。打开墙壁开关盒的总开关，再将

水冷设备打到“运行”状态，然后打开XRD 主机及电脑，开始预热，预热时间大约为0.5h。

2. 将制备好的样品板插入主机样品台上(测试面朝上)，关闭主机门。打开

操作软件“X 射线衍射仪系统软件控制6.5”(电脑桌面)，点击软件左上角的

“样品测量”，测角仪自动归位，直到“开始测量”按钮变为可用状态。

3.设置扫描方式、扫描速度、起始角、终止角、管电压、管电流、量程等。

一般粉体样品选择连续扫描方式，管电压设为40 KV，管电流设为25mA。设置完毕后，点击左上角“开始测量”按钮，测试自动开始。

4.测试完毕，保存数据；从主机台上取下样品，关闭主机门，然后处理样品。

关闭软件，在提示“是否关闭主机高压”时，选择“是”；5～10min 后，关闭

主机，将水冷打到“停止”状态。关闭计算机，在设备上盖上护套。关闭空调，最后关闭开关柜中相应的电闸。

五. 数据处理

Jade 6粗略估算微粒尺寸

打开衍射图谱，依次进行平滑图谱，寻峰，扣除背景操作，最后导出处理结果

0.13KP铜纳米颗粒衍射图

10*0.13KP铜纳米颗粒衍射图

30*0.13KP铜纳米颗粒衍射图

面粉XRD衍射图

ZnO XRD衍射图

ZnO（Co）XRD衍射图

2-Theta为衍射角2θ

Height 为峰高

FWHM为样品的衍射峰宽

XS微粒尺寸

Jade 6按照谢乐公式来计算

D=Kλ/Bcosθ

λ 是辐射的波长，按Kα1的波长计算，如铜靶，则λ=0.154056nm。

D就是晶块尺寸，单位可以是纳米，与波长λ的单位相同。

k是一个参数，可以取0.89,0.95或者1，软件是按0.89计算的。

θ是半衍射角，单位可以是度或者弧度，只要你能正确计算出它的余弦就可以。β是衍射峰的加宽。β=B-b，B为FWHM，即样品的衍射峰宽，b是仪器宽度。

从表格中读取最强特征峰（Height最大）对应的粒径（XS），单位为埃（A）

铜纳米颗粒（0.13KP）19.7nm

铜纳米颗粒（10*0.13KP）29.0nm

铜纳米颗粒（30*0.13KP）19.6nm

ZnO 34.5nm

ZnO（Co）38.7nm

选取三强峰所对应的粒径后求平均值为

铜纳米颗粒（0.13KP）13.8nm

铜纳米颗粒（10*0.13KP）28.4nm

铜纳米颗粒（30*0.13KP）19.0nm

ZnO 36.2nm

ZnO（Co）39.7nm

六．注意事项

1扫描速度有影响，要尽可能慢。一般2度/分钟。

2应用谢乐公式，需要扣除仪器宽化的影响。

3计算晶粒尺寸时，一般采用低角度的衍射线

4谢乐公式适用范围为1-100nm。

5谢乐公式一般不能用于高分子如面粉，因为畸变严重。

6由于材料中的晶粒大小并不完全一样，故所得实为不同大小晶粒的平均值。七．误差分析

1实验仪器有系统误差

2利用Jade 6扣除背景时，选择不同的背景结果不同，一般选择比较居中的位置3制备样品时，压强不易控制