XRD,是X射線衍射的簡稱,作為材料人,無論我們做的是什么材料,XRD都是最常用、最基本的表征手段。它可以告訴我們是否成功地合成出了自己想要的材料,因此可以說XRD是所有后續(xù)表征的基礎(chǔ)。但是,盡管我們經(jīng)常用到XRD,我們真的發(fā)揮出XRD的全部能量了嗎?如果我們只用XRD的數(shù)據(jù)來對自己的材料進行定性,那可真是大材小用。做XRD的意義遠不止如此,將XRD的數(shù)據(jù)進行精修,我們就會發(fā)現(xiàn)XRD有多么強大,它可以讓我們深入了解自己材料的晶體結(jié)構(gòu)信息,為我們打開自己研究領(lǐng)域的新世界的大門。

既然XRD精修這么強大,那么我們就來看看XRD數(shù)據(jù)精修到底能為我們干些什么吧!

 

1. 物相鑒定:

這是XRD最基本的作用,通過對比標準庫中標準物質(zhì)的峰位及峰強度,可以對自己的材料進行初步的定性,以確定自己所做材料的名稱、化學式等信息。

 

XRD數(shù)據(jù)精修——帶你步入絢麗的晶體世界

 

2. 多相材料定量分析:

對于一個材料人來說,我們做出來的材料往往含有兩種或兩種以上的物相,對于這種多相材料,在進行物相的鑒定之后,往往還需要知道其中每種物相的含量,那么通過XRD精修,就可以準確地計算出每種物相在整個材料中所占的質(zhì)量分數(shù)。

 

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3.晶胞參數(shù)和晶系:

我們都知道,晶體是由許多質(zhì)點(包括原子、離子或原子團)在三維空間呈周期性排列而形成的固體(長程有序)。組成晶體的最小重復單元是單胞也就是我們俗稱的晶胞。因此我們對自己的材料進行研究時,其本質(zhì)就是研究晶體的晶胞。

 

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晶胞中的幾何參數(shù) a, b, c,α, β,γ 我們稱之為晶胞參數(shù),由這些晶胞參數(shù)可以得到晶胞體積。這些信息是XRD精修得到的最常用的信息。比如向分子篩骨架中引入雜原子,摻雜前后晶胞參數(shù)和晶胞體積是否發(fā)生改變,是雜原子是否成功進入分子篩骨架的有力判據(jù)。

 

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空間點陣研究表明,晶體結(jié)構(gòu)中晶體結(jié)構(gòu)周期性與對稱性,以及原子排列的規(guī)律分屬七大晶系,每個晶系與晶胞參數(shù)是密切相關(guān)的。很多材料在不同條件下處理,晶系會發(fā)生改變,比如二氧化鋯就存在立方、四方、單斜三種晶系。通過XRD精修確定晶系,可以判斷材料是否在某一條件下以某種晶系穩(wěn)定存在,這對于晶系穩(wěn)定條件的探索是十分重要的。

 

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4. 晶體晶粒尺寸、結(jié)晶度分析:

對于納米材料研究工作者來說,材料的晶粒尺寸往往是決定材料性能的關(guān)鍵因素,通過XRD精修,可以準確得到材料的晶粒尺寸,為材料的性能優(yōu)化指引方向。

 

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結(jié)晶度體現(xiàn)了晶體生長的完美程度,對于晶體而言,高結(jié)晶度往往意味著擁有優(yōu)越的性能,而無論在學術(shù)界還是工業(yè)界,結(jié)晶度往往作為材料是否成功制備的一項重要指標,因此,結(jié)晶度的計算就顯得尤為重要。與過去手動計算相比, XRD精修可以既快又準地計算出材料的結(jié)晶度,十分的快捷方便,為我們的科研省下了不少寶貴的時間。

 

5. 鍵長、鍵角、原子的占位情況與占有率等:

晶體結(jié)構(gòu)中各個原子之間的鍵長、鍵角,以及原子的占位情況,影響著晶體的結(jié)構(gòu),通過XRD精修得到這些數(shù)據(jù),就可以畫出我們想要的晶體結(jié)構(gòu)三維圖,這樣我們的材料就更加直觀地展示在我們的面前。而精確的結(jié)構(gòu)信息,精美的三維結(jié)構(gòu)圖,都是發(fā)表高水平論文所不可缺少的。

 

XRD數(shù)據(jù)精修——帶你步入絢麗的晶體世界

 

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既然XRD精修這么厲害,那么XRD精修的方法主要有哪些呢?

 

目前主流的精修方法主要包括Pawley、Lebail、Rietveld三種,這三種方法也是各有特色:

1.Pawley法:衍射峰由晶胞參數(shù)算出

優(yōu)點:不需要結(jié)構(gòu)模型。

缺點:精修參數(shù)太多,計算量大,誤差也大。難以解出晶體的結(jié)構(gòu)內(nèi)層原子信息等。

常用程序:ALLHKL

 

2. LeBail法:衍射峰由晶胞參數(shù)算出,以晶胞參數(shù)及峰形參數(shù)為變量做最小二乘擬合

優(yōu)點:精修參數(shù)少,收斂速度快,計算工作量少,結(jié)果準。

缺點:有相同或非常相近的位置衍射峰的Ikc最終是相等的,需要剔除。

常用程序:fullprof, extra

 

3.Rietveld 法:給定一個大致正確的結(jié)構(gòu)模型、選擇合適的峰型參數(shù)、儀器參數(shù)、背底函數(shù)進行擬合,得到一個修正的與實際相符的結(jié)構(gòu)模型

優(yōu)點:應用較廣,能較精確確定晶體結(jié)構(gòu)、定量定性分析物相分析材料的微結(jié)構(gòu),對材料結(jié)構(gòu)的把握較前兩者更為準確

缺點:需要一個較為準確的初始模型,計算過程相對復雜。

常用程序:fullpro,gsas,topas

 

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