表面结构分析

检测限： 〜3％中的两相混合物;
〜0.1 ％，同步辐射。
横向分辨率： 通常没有
试样要求
块状试样
表面平整和清洁 无法避免晶面择优取向即织构，必要时可对其相互垂直的三个表面分别 进行分析，以得到比较全面的实验结果。
粉末状试样
粒度
一般定性分析时粒度应小于40 µm(350目)，定量分析时粒度应 小于10µm
控制驱动装置
显示器
送水装置 水冷
X线管 高压电缆
高压 发生器 X线发生器(XG)
测角仪
样品 角度扫描
数据输出
计数管 ＨＶ
计数存储装置(ECP)
粉末衍射仪
XRD特点
X射线衍射分析法具有如下优点：
1．对某一特定相，就给出特定的衍射相。直观、准确度高、 灵敏度高；
2．速度快，适合做大量的分析工作； 3．样品无须进入真空系统，设备简单； 4．属非破坏性分析； 5. 对试样无特殊要求，无须特别加工，制样方便。
第一部分 原理概述
红外光谱的产生
红外光谱是由分子振动能级的跃迁而产生的，因此红外光谱的吸收峰是具有一定宽度的吸收 带。物质吸收红外光应满足两个条件：一是辐射光子的能量与发生振动和转动能级间的跃迁所需 能量相等；二是分子振动必须伴随有偶极矩的变化，辐射与物质间必须有相互作用。
值得注意的是：不是所有的振动都能引起红外吸收，只有偶极矩(μ)发生变化的，才能有红 外吸收。
红外光谱 （infrared spectroscopy）
红外光谱：当样品受到频率连续变化的红外光照射时，分子吸收 某些频率的辐射，并由其振动运动或转动运动引起偶极矩的净变化， 产生的分子振动和转动能级从基态到激发态的跃迁，从而形成的分子 吸收光谱称为红外光谱。又称为分子振动转动光谱。
近红外区 14000-4000cm-1
材料结构分析技术简介
---第四 组
X-射线衍射 （X-ray diffraction ）
Contents
原理与装置
分析范例
特点、优缺点
XRD
样品要求
适用范围
3
➢X射线的本质
X射线
➢X射线的产生
X射线管示意图
• 整个X射线光管处于真空状态 • 阴极与阳极之间加以数十千伏的高电压时，阴极钨灯丝产生电子 • 电子在电场的作用下被加速并以高速射向阳极靶，从阳极靶产生X射线 • X射线通过铍窗口（厚度约为0.2mm）射出，即可提供给实验所用。
避免颗粒发生取向
避免物理\化学因素影响
适用范围
➢ 绝大多数固态物质都是晶态或微晶态或准晶态物质，都能产生X射线衍
射。晶体微观结构的特征是具有周期性的长程的有序结构。
XRD应用
物相鉴定
纳米材料粒径表征
点阵参数测定 微观应力测定
XRD 应用
结晶度测定
晶体取向及织构测定
分析范例——介孔材料
➢介孔TiO2经不同温度焙烧后的低角度和相应高角度的粉末衍射
在小角度2θ＝1.2°(d＝7.2nm)显示出一个较强的衍射峰．它是由于介孔结构的高 规整性而产生的（100）晶面布拉格反射。 相应的大角度粉末衍射图显示合成的介孔二氧化钛具有半晶化介孔孔壁.
分析范例——薄膜材料
➢利用CBD和STD技术对有取向的TiN+Ti薄膜进行纵向分析
TiN膜富集于表面层，而Ti是介于衬 底和TiN膜之间的过渡层
Ti（010） TiN（200）
TiN（220）
Ti(002)晶面和TiN(111)晶面择优 倾斜于试样表面
TiN(220)和Ti(010)晶面择优平 行于试样表面
TiN(200)呈现紊乱分布状态
Ti（002） TiN（111） TiN（200）
0=5 0=2
0=0.6
(a)CBD方法 (b、c、d)STD方法
X射线衍射原理
➢Bragg的衍射条件
晶体的原子点阵排列，当波长与原子间距满足布拉格方程条件下，光 线之间相互干涉，出现衍射现象，衍射图谱可以反映出晶体的结构和 性能。
入射X射线（ ）
衍射X射线
布拉格方程：
＝衍射角
晶 体
晶面间距 d hkl
点
阵
h k l晶面
X射线衍射原理
一个晶粒的某 (h k l ) 晶面所处方位正好符合布拉格公式, 产生衍射.
中红外区 4000-400cm-1
远红外区 400-10cm-1 由于绝大多数有机物和无机 物的基频吸收带都出现在中红 外区，因此中红外区是研究和 应用最多的区域。
红外光谱的特点和应用
A）红外光谱的高度特征性 红外光谱最突出的特点是具有高度的特征性，除光学异构外每种化合物都有自己特征的红外
光谱。它作为“分子指纹”被广泛的用于分子结构的基础研究和化学组成的分析上。红外吸收谱 带的波数位置、波峰数目及强度，反应了分子结构的特点，可以用来鉴定未知的分子结构组成或 确定其化学基团；谱带的吸收强度与分子组成或其化学基团的含量有关，可用于定量分析或纯度 鉴定。
对称分子：没有偶极矩，辐射不能引起共振，无红外活性。如： N2、 O2、 Cl2等。 非对称分子：有偶极矩，红外活性。
分子中基团的基本振动形式
双原子分子的振动 简谐振动及其频率，化学键的振动类似于连接两个小球的弹簧。
分子振动方程式
任意两个相邻的能级间的能量差为：
E h h k 2
1 1 k 1307 k
多晶体是极多个小晶粒的聚集体。如果其各个晶粒的取向 随机分布, 则相当于上图的晶面绕入射X射线束转动任意 的情况都存在, 则X射线照射到此多晶体上时, 如下图的一 个圆锥面上都有衍射线产生.
XRD装置
XRD衍射仪：常用粉末衍射仪主要由X射线发生系统、测角及探测控
制系统、记数据处理系统三大部分组成 。核心部件是测角仪。
B）红外光谱的测试优点及发展方向 红外光谱对气体、液体、固体样品都可以测定，具有样品用量少、分析速度块、不破坏样品
等特点。自20世纪70年代以来，随着计算机的高速发展以及傅立叶变换红外光ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ和各种联用 技术的出现，大大拓宽了红外光谱的应用范围。例如红外与色谱联用可以进行多组分样品 的分离和定性；与拉曼光谱联用可以得到红外光谱弱吸收的信息等。因此，红外光谱成 为现代分析化学和结构化学必不可少的工具。
2c
多原子分子的振动
多原子分子由于原子数目增多，组成分子的键或基团和空间结构不同，其振动光谱比双原子 分子要复杂。但是可以把它们的振动分解成许多简单的基本振动，即简正振动。其基本类型有伸 缩振动和变形振动。