热点关注:  
放射性同位素 粒子加速器 辐照杀菌 无损检测 高新核材 辐射成像 放射诊疗 辐射育种 食品辐照保鲜 废水辐照 X射线 中广核技 中国同辐

X射线衍射助金刚石合成

2021-12-26 19:12     来源:X射线衍射     X射线衍射分析
X射线衍射不简单的是一种测试分析手段,而更重要的是研究物质结构,特别是晶体结构的研究平台。随着近代衍射设备现代化,模块化,计算机和智能化,应用更加深入广泛。然而X射线衍射物相分析仍然还是材料研究的重要手段,有时对课题研究的进展和成败具有决定性的作用。


 
多年前使用D/Max一rA粉末X射线衍射仪,卧式测角仪,单板计算机驱动和测试,石墨单色器分光,CuKα辐射。通常光路为对称反射几何布置,也可以方便地改换扫描方式,转动样品面进行θ扫描。当θ(样品面法线方向)-2θ(探测器位置)联动扫描时,无论哪个物相,无论哪个衍射面,只有与样品面平行的衍射面才贡献衍射强度。由于狭缝光束总会有一度大小的发散,使样品中的晶体衍射面,可以有与样品面相应角度偏差满足衍射条件。在这种θ-2θ联动扫描中,实现了聚焦,增加了衍射强度,提高了衍射线分辨率。为了保证各相及各衍射面存在很好的随机统计效果,要把粉末样品适当磨细,保证晶粒取向随机性。
特殊情况下完全不同。当时我校有研究组正在用高压法人工合成金刚石。研究者已把得到材料进行了多次富集,但金刚石在样品中的比例数仍较低,估计尺寸在几十微米。刚开始用常规衍射扫描作物相分析。由于样品少,又希望原样实验。只好把样品加松香酒精塗抹在单晶硅载体的样品架上,防止较大颗粒脱落。起码有10次送样作X射线常规衍射分析均未发现金刚石。真没有还是没发现打了个问号。


冷静想一下,回顾以前对粉末样品作搖摆曲线时(探测器在2θ衍射峰位,对应θ位置前后一定范围扫描,相当于转动样品面),由于样品中有较大晶粒,出现多个锐衍射峰落在宽化峰上,每一个锐峰就是碰上一个合适取向的晶粒。当时为了保证多晶衍射强度比较准确,这是不希望的,因为这样容易使强度出现偶然性。

现在正好反其道而用之,利用搖摆曲线去找金刚石颗粒。摇摆曲线扫描,说通俗一点,就是探测器停在某衍射峰应出现位置,绕测角器轴转动样品,也就是转动了样品上的晶粒,就是转动了晶粒上的晶面,使不在衍射位置的晶面有机会转到衍射位置(θ角)。这时样品面是偏离θ角了,而晶面正好转到了衍射位置,正落在衍射角(2θ角)分线上,满足布拉格方程衍射条件,产生衍射。

查出金刚石晶体衍射数据。金刚石有111,220,311,400,331衍射。通常在220以后(对应d值0.12610nm)很难作出行射。第三个衍射峰311的2θ角已超过90度。可靠表征金刚石的衍射峰就只有111和220衍射。前者衍射角在43.95度,后者在75.38度。

在一次送样中,作搖摆曲线结合联动扫描。先对准111。将探测器驱动到43.95度,大约从20~24度扫描θ角。令人惊奇,摇摆曲线出现大小不等多个锐衍射峰,说明111衍射碰上的晶粒还不少。虽然衍射峰强的不能说明对应的晶粒一定大,也可能衍射面对的比较正。在搖摆曲线中选择最强的锐衍射峰,比如θ=21.5度。将θ与2θ=43.95度锁定,进行联动扫描,就得到了一个又强又锐的金刚石111衍射。为防止偶然性或别的物相重合峰,造成误判,又通过选择摇摆曲线上其它锐峰重复联动扫描,结果一样。紧接着再去作220衍射。用刚才作111衍射条件是不能作220衍射的。因为选定晶粒111面与样品表面接近平行,就不可能还是这些晶粒的220面与样品表面接近平行。必须到220衍射峰(2θ=75.38度)重作搖摆曲线(如θ在34.5~40.5度范围),寻找衍射晶粒。找到后用同样办法锁定θ~2θ联动扫描,得到金刚石衍射峰的220衍射。由于衍射角更高,这种衍射几何布置,使入射到样品上X光束面积减小,衍射强度在粉末情况下也只有111的百分之四十,所以找起来困难增大,在搖摆曲线出现的锐衍射很少,只有两三个,有时一两个。选定一个摇摆曲线锐衍射峰相应的θ角与2θ联动,得到220衍射。将111和220两段衍射结合起来确定金刚石相存在。同时也大致的判断了晶粒尺寸和在样品中的密度。

为了保证实验结果真实可信,研究者又作了拉曼光谱进行核实。最后证明了金刚石合成取得成功。

文章发表在重要期刊上。记得当时发出后好像还有过争论,说这个衍射图是接起来的。实验就是这样作的,是接起来的。这篇短文同时把这个问题来龙去脉写出来了。情况是真实的。

这种摇摆结合联动扫描方法,可以作为含量稀少贵重材料(矿物)X射线衍射物相鉴定一种有效办法。例如月壤中某些含量较少又重要的结晶矿物,就可以这样鉴定。

在常规X射线衍射物相分析完成之后,如有专家判断可能还有某种少量结晶矿物没在常规衍射中显示出来,就可以用摇摆曲线结合联动扫描分析。实验成功的前提条件是结晶好,晶粒大小适中,有已知矿物的晶体学数据或X射线衍射数据。

推荐阅读

中科院研制出相对论激光驱动的超快X射线衍射系统

在超快时间尺度上获得物质的动力学演化过程一直是科研人员努力的重要方向,中科院物理研究所宣布,光物理实验室 L05 组博士研究生朱常青等利用研究组的高脉冲能量(>100mJ)、低重频(10Hz)激光器,研制了一套飞秒时间分辨的 X 射线衍射系统。 2021-11-22

高能X射线开启了潜在聚变反应堆材料降解的新视角

在应力作用下对辐照碳化硅进行的二维X射线衍射分析发现了透射电子显微镜下看不到的晶体结构。 2021-11-18

物理所研制相对论激光驱动的超快X射线衍射系统

在超快时间尺度上获得物质的动力学演化过程一直是科研人员努力的重要方向。基于激光等离子体相互作用产生的飞秒硬X射线源由于具有脉宽短、亮度高和源尺寸小等优点,可广泛应用于瞬态微成像/相衬成像、时间分辨吸收谱学和X射线衍射等实验研究中。 2021-11-17

利用红外、核磁共振和质谱,进行新型药物的结构确认

盐酸西那卡塞是治疗甲状旁腺功能亢进症的代表药物之一,用于继发性甲状旁腺功能亢进症,效果显著。由于治疗效果良好微源检测实验室拿到药物样品利用自有红外、核磁共振和质谱仪器对该药物进行了结构确认和质量研究。 2021-11-15

物理所研制相对论激光驱动的超快X射线衍射系统

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心团队成功研制出一套飞秒时间分辨的X射线衍射系统。 2021-11-13

阅读排行榜