【知識(shí)庫】HighScore (Plus) 軟件進(jìn)行XRD結(jié)晶度分析的四種方法（上）

更新時(shí)間：2023-05-26 點(diǎn)擊次數(shù)：1299

馬爾文帕納科強(qiáng)大的XRD數(shù)據(jù)分析軟件Highscore（Plus）可基于兩種通用原理，通過四種不同的方法實(shí)現(xiàn)結(jié)晶度分析，用戶可根據(jù)標(biāo)樣情況、樣品特性、依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)等不同情況選擇適合自己的結(jié)晶度分析方法。

本文將先介紹基于全倒易空間X射線散射守恒原理的兩種分析方法，分別是：背景常數(shù)法和高聚物法（分峰擬合法）。

對(duì)于含有非晶成分的樣品來說，XRD測(cè)試的目的往往不僅在于分析出各結(jié)晶物相的相對(duì)含量（即常規(guī)物相定量方法），還希望能夠得出非晶相在樣品中的含量，即結(jié)晶度分析，一般來說， “結(jié)晶度”主要指樣品中結(jié)晶部分的質(zhì)量占材料總質(zhì)量的百分比，即100% - 非晶物相百分含量。

值得注意的是與上述提到的結(jié)晶度含義不同，“結(jié)晶度”有時(shí)也用于量化或分級(jí)表征相關(guān)材料晶格周期性的理想程度，也就是結(jié)晶的完美程度、晶體結(jié)構(gòu)缺陷的類型與程度?；蛴?ldquo;有序度”來表述，這種情況下關(guān)心的不再是非晶物相的含量，而是結(jié)晶物相的結(jié)晶完美程度，此種意義上的“結(jié)晶度”可以用衍射峰半高寬等參數(shù)進(jìn)行表征。比如伊利石的結(jié)晶度有時(shí)用Weaver指數(shù)來表征，其值為伊利石1nm的衍射峰在1nm處的強(qiáng)度與1.5nm處的強(qiáng)度的比值，指數(shù)越大結(jié)晶度越好。

我們將通過兩次推文分別介紹基于全倒易空間X射線散射守恒原理或Rietveld全譜圖擬合的定量計(jì)算方法這兩個(gè)通用原理指導(dǎo)下，馬爾文帕納科Highscore(Plus)軟件四種結(jié)晶度分析方法，這里的結(jié)晶度含義均指前者，即結(jié)晶部分的質(zhì)量在材料中的百分比。用戶可根據(jù)標(biāo)樣情況、樣品特性、依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)等不同情況選擇適合自己的結(jié)晶度分析方法。

通用原理一

全倒易空間X射線散射守恒原理

對(duì)一個(gè)給定的原子集合體,則不論其凝聚態(tài)如何(如非晶固態(tài)、晶態(tài)、不同取向態(tài)或不同晶相與非晶相的混合態(tài)等)，當(dāng)受到相同強(qiáng)度的X射線照射時(shí)，其相干散射在全倒易空間里總值保持守恒。換言之，樣品相干散射的總量?jī)H與受照射體積內(nèi)物質(zhì)的原子種類與總數(shù)有關(guān)，與物質(zhì)的結(jié)構(gòu)無關(guān)。

下文中的第一、二種方法依據(jù)原理為上述全倒易空間X射線散射守恒原理，由于此原理的前提是給定的原子結(jié)合體（即化學(xué)組成相同）與x射線照射強(qiáng)度相同，因此下文中前兩種結(jié)晶度分析方法的適用前提均為結(jié)晶物相與非晶物相的化學(xué)組成必須相同，且結(jié)晶相與非晶相的測(cè)試條件完全一致。

01丨背景常數(shù)法

背景常數(shù)法適用同種物質(zhì)的結(jié)晶相和非晶相組成的混合物的結(jié)晶度的計(jì)算，需要用與待測(cè)樣品化學(xué)成分相同且結(jié)晶度已知的標(biāo)樣進(jìn)行結(jié)晶度分析的校準(zhǔn)，且標(biāo)樣與待測(cè)樣品的測(cè)量條件（儀器狀態(tài)、掃描程序、光路配置）必須完全一致。

背景常數(shù)法的原理：同種物質(zhì)在完全相同的測(cè)試條件下，無論是結(jié)晶還是非晶，單位質(zhì)量貢獻(xiàn)的散射強(qiáng)度都一樣。即使是完全結(jié)晶的樣品，譜圖也會(huì)有背景存在，其來源于儀器、空氣散射、康普頓散射、樣品熒光等因素，同類樣品完全一致的測(cè)試條件下，上述因素所導(dǎo)致的譜圖背景的總散射強(qiáng)度應(yīng)該也一致。

計(jì)算公式：

其中：ΣInet.：結(jié)晶成分對(duì)應(yīng)散射面積

ΣItot.：總散射面積

ΣIconst. bgr.：背景常數(shù)以下對(duì)應(yīng)散射面積

ΣItot. – ΣIconst. bgr.：非晶成分對(duì)應(yīng)散射面積

應(yīng)用示例：

標(biāo)樣：結(jié)晶度50%的SiO2，注意確定背景操作過程必須把結(jié)晶峰和非晶包分開。輸入背景常數(shù)，直到結(jié)晶度顯示為50%。（灰綠色背景線以上衍射峰區(qū)域是結(jié)晶成分對(duì)應(yīng)散射面積，即ΣInet. ，下方藍(lán)色區(qū)域?yàn)楸尘俺?shù)覆蓋面積，即ΣIconst. bgr.）

待測(cè)樣：結(jié)晶度未知的SiO2，注意確定背景也必須把結(jié)晶峰和非晶包分開。輸入上一步標(biāo)樣確定的背景常數(shù)，得到結(jié)晶度為91.2%

02丨高聚物法（分峰擬合法）

高聚物法（分峰擬合法）是一種通過分峰擬合，確定非晶包和各晶態(tài)衍射峰的面積，通過標(biāo)準(zhǔn)中給定公式計(jì)算結(jié)晶度的方法。

高聚物法適用于高聚物或其他行業(yè)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)中使用衍射峰與非晶包面積進(jìn)行結(jié)晶度計(jì)算的情況。

如《GB T 18046-2008 用于水泥和混凝土中的?；郀t礦渣粉玻璃體含量的測(cè)定》、《SH/T1827-2019 塑料結(jié)晶度的測(cè)定 X射線衍射法》等多個(gè)國標(biāo)、行標(biāo)均是此種基于結(jié)晶相衍射峰與非晶包面積進(jìn)行結(jié)晶度的分析與計(jì)算。

應(yīng)用示例：

樣品：α-聚丙烯

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)：《SH/T1827-2019 塑料結(jié)晶度的測(cè)定 X射線衍射法》

分析結(jié)果：

對(duì)譜圖進(jìn)行分峰擬合得各晶相衍射峰與非晶包的面積，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中計(jì)算公式計(jì)算所得其結(jié)晶度為63.9%。

馬爾文帕納科X射線衍射主要產(chǎn)品

■ Empyrean 銳影多核智能X射線衍射系統(tǒng)

第三代Empyrean銳影多功能衍射平臺(tái)是第一款全自動(dòng)多功能衍射儀，無須任何人工干預(yù)即可進(jìn)行多種不同類型的測(cè)量。

? 多類型樣品和多應(yīng)用不間斷批次處理

? 樣品處理量至少提高30%

? 用戶培訓(xùn)時(shí)間減少30%

? 自動(dòng)優(yōu)化分辨率和強(qiáng)度

? 檢測(cè)雜質(zhì)或微量相，靈敏度提高40%或速度提高40%

■ Aeris 緊湊型X射線衍射儀

Aeris將一步式外部樣品裝載于清晰簡(jiǎn)單的操作結(jié)合，采用標(biāo)準(zhǔn)電源工作，無須使用其他外設(shè)。同時(shí)它具有出色的精度、重現(xiàn)性和可靠性?？蛇x擇的測(cè)量有：

? Bragg-Brentano反射粉末衍射

? 透過箔片或毛細(xì)管的透射衍射

? 掠入射用于薄膜和鍍層分析

■ X'Pert3 MRD/XL高分辨X射線衍射儀

X'Pert3 MRD/XL適用于各類型薄膜的X射線分析，所涉及的典型材料有半導(dǎo)體、金屬合金、介電材料和化合物等。MRD/XL可以表征這些材料的如下屬性：層厚、晶相和合金成分、應(yīng)力、結(jié)晶度、密度和界面形態(tài)等等。