樣品制備儀器系統(tǒng)

俗話說：“磨刀不誤砍柴工”了解XRD樣本的要求、制備過程并細(xì)心的制作XRD樣品，可以起到事半功倍的效果，而不是本末倒置，急于得到衍射圖譜而粗心準(zhǔn)備樣品，這樣往往引起實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差，從而給結(jié)果分析帶來困難，浪費(fèi)大量的分析時(shí)間。

1. XRD運(yùn)用對象

X射線衍射儀技術(shù)可以獲得材料的晶體結(jié)構(gòu)、結(jié)晶狀態(tài)等參數(shù)，這些材料包括金屬材料和非金屬材料，大致如下：

X射線衍射技術(shù)可以分析研究金屬固溶體、合金相結(jié)構(gòu)、氧化物相合成、材料結(jié)晶狀態(tài)、金屬合金化、金屬合金薄膜與取向焊接金屬相、各種纖維結(jié)構(gòu)與取相、結(jié)晶度、原料的晶型結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)、金屬的氧化、各種陶瓷與合金的相變、晶格參數(shù)測定、非晶態(tài)結(jié)構(gòu)、納米材料粒度、礦物原料結(jié)構(gòu)、建筑材料相分析、水泥的物相分析等。

非金屬材料的X射線衍射技術(shù)可以分析材料合成結(jié)構(gòu)、氧化物固相相轉(zhuǎn)變、電化學(xué)材料結(jié)構(gòu)變化、納米材料摻雜、催化劑材料摻雜、晶體材料結(jié)構(gòu)、金屬非金屬氧化膜、高分子材料結(jié)晶度、各種沉積物、揮發(fā)物、化學(xué)產(chǎn)物、氧化膜相分析、化學(xué)鍍電鍍層相分析等。

2. XRD樣品制樣要求

XRD可以測量塊狀和粉末狀的樣品，對于不同的樣品尺寸和樣品性質(zhì)有不同的要求，下面對分別對其作簡要的介紹：

圖1 XRD樣品制備

（1）塊狀樣品的要求及制備

對于非斷口的金屬塊狀試樣，需要了解金屬自身的相組成、結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)，應(yīng)該盡可能的磨成平面，并進(jìn)行簡單的拋光，這樣不但可以去除金屬表面的氧化膜，也可以消除表面應(yīng)變層。然后再用超聲波清洗去除表面的雜質(zhì)，但要保證試樣的面積應(yīng)大于10 × 10 mm，因?yàn)閄RD是掃過一個(gè)區(qū)域得到衍射峰，對試樣需要一定的尺寸要求。

對于薄膜試樣，其厚度應(yīng)大于20 nm，并在做測試前檢驗(yàn)確定基片的取向，如果表面十分不平整，根據(jù)實(shí)際情況可以用導(dǎo)電膠或者橡皮泥對樣本進(jìn)行固定，并使樣品表面盡可能的平整。

對于片狀、圓柱狀的試樣會存在嚴(yán)重的擇優(yōu)取向，造成衍射強(qiáng)度異常，此時(shí)在測試時(shí)應(yīng)合理的選擇響應(yīng)方向平面。

對于斷口、裂紋的表面衍射分子，要求端口盡可能的平整并提供斷口所含元素。

（2） 粉末樣品的要求及制備

顆粒度的要求：

對粉末樣品進(jìn)行X射線粉末衍射儀分析時(shí)，適宜的晶粒大小應(yīng)在320目粒度（約40 um）的數(shù)量級內(nèi)，這樣可以避免衍射線的寬化，得到良好的衍射線。

原因：任何一種粉末衍射技術(shù)都要求樣品是十分細(xì)小的粉末顆粒，使試樣在受光照的體積中有足夠多數(shù)目的晶粒。因?yàn)橹挥羞@樣，才能滿足獲得正確的粉末衍射圖譜數(shù)據(jù)的條件：即試樣受光照體積中晶粒的取向是完全隨機(jī)的。這樣才能保證用照相法獲得相片上的衍射環(huán)是連續(xù)的線條；或者，才能保證用衍射儀法獲得的衍射強(qiáng)度值有很好的重現(xiàn)性。

樣品試片平面的準(zhǔn)備：

在X射線衍射時(shí)，雖然樣品平面不與衍射儀軸重合、聚焦圓相切會引起衍射線的寬化、位移及強(qiáng)度發(fā)生復(fù)雜的變化，但在實(shí)際試驗(yàn)中，如要求準(zhǔn)確測量強(qiáng)度時(shí)，一般首先考慮如何避免擇優(yōu)取向的產(chǎn)生而不是平整度。

圖2 （來源：education.mrsec.wisc.edu）

避免擇優(yōu)取向的措施：

使樣品粉末盡可能的細(xì)，裝樣時(shí)用篩子篩入，先用小抹刀刀口剁實(shí)并盡可能輕壓等等。

把樣品粉末篩落在傾斜放置的粘有膠的平面上通常也能減少擇優(yōu)取向，但是得到的樣品表面較粗糙。

通過加入各向同性物質(zhì)（如 MgO，CaF2等）與樣品混合均勻，混入物還能起到內(nèi)標(biāo)的作用。

對于具有十分細(xì)小晶粒的金屬樣品，采用形變的方法（碾、壓等）把樣品制成平板使用時(shí)也常常會導(dǎo)致?lián)駜?yōu)取向的織構(gòu)，需要考慮適當(dāng)?shù)耐嘶鹛幚怼?/p>

圖3 各種樣品試片

粉末樣品的制備

研磨（球墨）和過篩：對固體顆粒采用研缽（球磨機(jī)）進(jìn)行研磨，一般對粉末進(jìn)行持續(xù)的研磨至低于360目的粉末，手摸無顆粒感，認(rèn)為晶粒大小已經(jīng)符合要求。

注意：

（1）在研磨過程中，需要不斷過篩，分出已經(jīng)細(xì)化的顆粒。

（2）對于軟而不便于研磨的物質(zhì)，可采用液氮或干冰使其變脆，在進(jìn)行研磨。

（3）有些樣品需要用整形銼刀制得金屬細(xì)屑，此時(shí)需要對制得的挫屑進(jìn)行退火處理消除銼刀帶來的點(diǎn)陣應(yīng)力。

圖4 制粉流程操作流程

涂片法：把粉末撒在一片大小約 25 × 35 × 1 mm3的顯微鏡載片上（撒粉的位置要相當(dāng)于制樣框窗孔位置），然后加上足夠量的丙酮或酒精（假如樣品在其中不溶解），使粉末成為薄層漿液狀，均勻地涂布開來，粉末的量只需能夠形成一個(gè)單顆粒層的厚度就可以，待丙酮蒸發(fā)后，粉末粘附在玻璃片上，可供衍射儀使用，若樣品試片需要永久保存，可滴上一滴稀的膠粘劑。

壓片法：如圖4把樣品粉末盡可能均勻地灑入（最好是用細(xì)篩子--360目篩入）制樣框的窗口中，再用小抹刀的刀口輕輕剁緊，使粉末在窗孔內(nèi)攤勻堆好，然后用小抹刀把粉末輕輕壓緊，最后用保險(xiǎn)刀片（或載玻片的斷口）把多余凸出的粉末削去，然后，小心地把制樣框從玻璃平面上拿起，便能得到一個(gè)很平的樣品粉末的平面。

注意：涂片法采用樣品粉末量最少，根據(jù)實(shí)際粉末量多少選擇不同的方法。

圖5 壓片法操作流程

3. X射線衍射儀的使用方法

接下來以某品牌XRD進(jìn)行使用說明

（1）裝填樣品

按下衍射儀面板上的Door按鈕，指示燈閃爍、蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲，緩慢的向右拉開衍射儀保護(hù)門。

將樣品表面朝上安裝到樣品臺上，此時(shí)注意盡可能的將樣品置于載物臺的中心位置。

向左輕拉右側(cè)門，兩門自動(dòng)吸住后報(bào)警聲停止。

圖6 XRD衍射示意圖

（2）設(shè)置儀器參數(shù)

點(diǎn)擊桌面Right Measurement System圖標(biāo)，進(jìn)入到軟件控制界面。

雙擊Condition下面的1，進(jìn)入到測量條件的設(shè)置界面，根據(jù)所測試樣品要求，設(shè)置Start Angle（起始角）、Stop Angle（終止角）、Scan speed（掃描速度）等參數(shù)（注意：一般掃描電壓和掃描電流這些參數(shù)不要更改）

條件設(shè)置好以后，關(guān)閉條件設(shè)置界面，返回主界面（注意：在設(shè)置參數(shù)的時(shí)候，XRD的起始角一般是大于3°，終止角小于140°，否則會使測角儀的旋轉(zhuǎn)臂撞到其他部件，使測角儀受到損壞）。

點(diǎn)擊Browse按鈕，進(jìn)入到保存文件對話框，設(shè)置文件保存位置和樣品名稱后，返回主界面。

（3）開始測試

在主界面上點(diǎn)擊Executement，系統(tǒng)開始調(diào)整KV、MA值，此時(shí)彈出新的測量窗口，直到測量完成，測量數(shù)據(jù)自動(dòng)保存在所設(shè)置為保存位置。

（4）數(shù)據(jù)存盤

一般為了防止U盤存在病毒，拷取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)需要光盤。

（5）關(guān)閉系統(tǒng)

在測試的時(shí)候根據(jù)實(shí)際情況，如果后面仍有學(xué)需要測試，在完成自己樣品測試后，將自己的樣品取出即可。如果沒有人測試，則關(guān)閉X射線衍射儀。

(來源:測了么)