X射線粉末衍射是材料的晶體結(jié)構(gòu)表征最常用的技術(shù)之一。本書涵蓋X射線粉末衍射中的大部分知識點(diǎn)，包括晶體學(xué)基礎(chǔ)知識、X射線衍射原理、X射線粉末衍射的實(shí)驗(yàn)技術(shù)、X射線粉末衍射的理解、衍射數(shù)據(jù)的基本處理、物相識別與定量分析、晶格參數(shù)和空間群的確定、晶體結(jié)構(gòu)解析與晶體結(jié)構(gòu)精修等內(nèi)容。同時，本書還精選了大量的實(shí)例，通過圖文分步進(jìn)行介紹，有助于讀者掌握晶體學(xué)基礎(chǔ)知識及X射線粉末衍射的原理、實(shí)驗(yàn)技術(shù)與分析方法。
第1章 X射線粉末衍射簡介 1
1.1 X射線衍射的發(fā)展史 1
1.2 X射線粉末衍射的主要用途 2
1.3 課程知識脈絡(luò) 5
第2章 晶體學(xué)基礎(chǔ)知識 7
2.1 晶體學(xué)概述 8
2.1.1 晶體學(xué)的發(fā)展 8
2.1.2 晶體的基本特征 9
2.2 晶體結(jié)構(gòu)的描述 10
2.2.1 原胞與晶胞 10
2.2.2 晶胞內(nèi)的原子 12
2.3 晶體的對稱性 14
2.3.1 晶體的宏觀對稱元素 14
2.3.2 點(diǎn)群 18
2.3.3 勞厄群 20
2.3.4 晶系 21
2.3.5 晶體的微觀對稱元素 21
2.3.6 空間群 23
2.3.7 國際晶體學(xué)表 32
2.4 常見晶體結(jié)構(gòu) 35
2.4.1 晶體結(jié)構(gòu)建模 35
2.4.2 簡單立方結(jié)構(gòu) 36
2.4.3 體心立方結(jié)構(gòu) 37
2.4.4 面心立方結(jié)構(gòu) 38
2.4.5 六角密排結(jié)構(gòu) 39
2.4.6 密排結(jié)構(gòu) 40
2.4.7 金剛石結(jié)構(gòu) 40
2.4.8 閃鋅礦結(jié)構(gòu) 41
2.5 晶體中的點(diǎn)、線、面 42
2.5.1 利用Crystal Impact Diamond軟件學(xué)習(xí)晶體中的點(diǎn)、線、面 42
2.5.2 格點(diǎn)的坐標(biāo) 43
2.5.3 晶向與晶向指數(shù) 43
2.5.4 晶面與晶面指數(shù) 44
2.6 倒易點(diǎn)陣 45
2.6.1 倒易基矢、倒易格子、倒易點(diǎn)陣 45
2.6.2 倒易關(guān)系 46
2.7 常見晶體學(xué)計算方法 48
2.7.1 晶胞的正交化 48
2.7.2 正格子和倒格子的轉(zhuǎn)換 49
2.7.3 正格子和倒格子的指數(shù)轉(zhuǎn)換 49
2.7.4 晶向長度、晶向夾角的計算 50
2.7.5 晶面間距、晶面夾角的計算 51
2.7.6 六角晶系、三角晶系中的指數(shù)轉(zhuǎn)換 52
2.7.7 晶體衍射中的其他轉(zhuǎn)換 54
小結(jié) 55
思考題 56
第3章 X射線衍射原理 57
3.1 X射線的電磁波屬性 57
3.2 X射線散射 58
3.2.1 電子對X射線的散射 58
3.2.2 原子對X射線的散射 59
3.2.3 晶體對X射線的散射 60
3.3 X射線衍射幾何 61
3.3.1 勞厄方程 61
3.3.2 布拉格方程 62
3.3.3 埃瓦爾德球與粉末衍射 63
小結(jié) 64
思考題 64
第4章 X射線粉末衍射的實(shí)驗(yàn)技術(shù) 65
4.1 X射線衍射儀的結(jié)構(gòu)和功能 66
4.1.1 X射線的產(chǎn)生 66
4.1.2 X射線的調(diào)節(jié) 69
4.1.3 X射線的探測 72
4.1.4 X射線的聚焦衍射幾何 74
4.2 X射線粉末衍射實(shí)驗(yàn) 76
4.2.1 實(shí)驗(yàn)方案的制訂 76
4.2.2 粉末樣品的制備 77
4.2.3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)的設(shè)置 81
4.2.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的評估 85
4.3 X射線衍射儀的日常維護(hù) 86
4.3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境和冷卻水 86
4.3.2 升降管流、管壓和X射線光管老化 86
4.3.3 光路合軸 87
4.3.4 標(biāo)準(zhǔn)樣品 87
4.3.5 制作角度校正曲線 88
4.3.6 制作半高寬曲線 88
4.3.7 X射線的防護(hù) 89
小結(jié) 90
思考題 91
第5章 X射線粉末衍射的理解 92
5.1 X射線粉末衍射概述 92
5.2 X射線粉末衍射圖的模擬 93
5.2.1 利用晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)計算PDF卡片 93
5.2.2 利用PDF卡片模擬X射線粉末衍射圖 95
5.3 X射線粉末衍射與晶體結(jié)構(gòu) 95
5.3.1 背底 96
5.3.2 峰位與晶胞大小 96
5.3.3 峰強(qiáng)與晶胞內(nèi)的原子 99
5.3.4 峰形與晶粒尺寸、晶格應(yīng)變 108
5.4 X射線衍射圖的表示 113
5.4.1 含PDF卡片的多曲線繪圖 113
5.4.2 Rietveld晶體結(jié)構(gòu)精修結(jié)果的繪圖 115
5.4.3 不同波長衍射數(shù)據(jù)的繪圖 117
小結(jié) 118
思考題 118
第6章 衍射數(shù)據(jù)的基本處理 120
6.1 MDI Jade軟件的介紹 120
6.1.1 安裝MDI Jade軟件 121
6.1.2 導(dǎo)入PDF卡片 121
6.1.3 MDI Jade軟件的界面和功能 122
6.2 MDI Jade軟件中的常見衍射數(shù)據(jù) 127
6.2.1 mdi、dif格式的衍射數(shù)據(jù) 127
6.2.2 txt、xy格式的衍射數(shù)據(jù) 128
6.3 導(dǎo)入衍射數(shù)據(jù) 128
6.3.1 MDI Jade軟件支持的數(shù)據(jù) 128
6.3.2 外來格式的數(shù)據(jù) 129
6.4 背底 130
6.4.1 背底曲線的特征 130
6.4.2 擬合背底 131
6.4.3 扣背底 131
6.5 剝離K?2 132
6.6 平滑 133
6.6.1 平滑原理 133
6.6.2 如何平滑 133
6.7 尋峰 134
6.7.1 尋峰原理 134
6.7.2 如何尋峰 135
6.8 衍射峰擬合 136
6.8.1 衍射峰擬合原理 136
6.8.2 如何擬合衍射峰 137
6.8.3 衍射峰擬合結(jié)果的判斷 138
6.8.4 衍射峰擬合結(jié)果的保存 139
小結(jié) 140
思考題 140
第7章 物相識別與定量分析 141
7.1 物相識別的原理 142
7.1.1 物相識別的流程 142
7.1.2 物相匹配的標(biāo)準(zhǔn) 142
7.2 MDI Jade軟件中的物相識別 144
7.2.1 儀器零點(diǎn)的校正 144
7.2.2 純相的物相識別 145
7.2.3 混合物的物相識別 150
7.3 CSM軟件中的物相識別 154
7.3.1 CSM軟件的界面和功能 154
7.3.2 物相識別的基本步驟 157
7.3.3 實(shí)例1：復(fù)雜混合物的物相識別 158
7.3.4 實(shí)例2：利用d-值表進(jìn)行物相識別 159
7.4 定量物相分析 160
7.4.1 定量物相分析的原理 160
7.4.2 定量物相分析的基本步驟 162
7.4.3 實(shí)例1：利用RIR值確定二氧化鈦混晶的相含量 162
7.4.4 實(shí)例2：利用cif文件進(jìn)行定量物相分析 164
7.5 晶粒尺寸和晶格應(yīng)變 165
7.5.1 晶粒尺寸和晶格應(yīng)變的原理 165
7.5.2 實(shí)例：確定二氧化鈦的晶粒尺寸和晶格應(yīng)變 165
7.6 結(jié)晶度的計算 167
7.6.1 結(jié)晶度的計算原理 167
7.6.2 實(shí)例：計算銳鈦礦相二氧化鈦的結(jié)晶度 169
小結(jié) 172
思考題 173
第8章 晶格參數(shù)和空間群的確定 174
8.1 指標(biāo)化確定晶格參數(shù) 175
8.1.1 指標(biāo)化原理 175
8.1.2 指標(biāo)化的基本步驟 180
8.1.3 實(shí)例1：純相樣品的指標(biāo)化（MDI Jade軟件） 182
8.1.4 實(shí)例2：少峰情況（MDI Jade軟件） 183
8.1.5 實(shí)例3：含有雜峰的情況（MDI Jade軟件） 184
8.2 Crysfire2020軟件簡介 185
8.2.1 Crysfire2020軟件的安裝 185
8.2.2 Crysfire2020軟件的界面、功能 185
8.2.3 實(shí)例：板鈦礦相二氧化鈦的指標(biāo)化 190
8.3 晶格參數(shù)精修 191
8.3.1 晶格參數(shù)精修原理 191
8.3.2 晶格參數(shù)精修的基本步驟 192
8.3.3 實(shí)例1：利用PDF卡片精修晶格參數(shù) 194
8.3.4 實(shí)例2：利用指標(biāo)化結(jié)果精修晶格參數(shù) 195
8.3.5 實(shí)例3：利用近似結(jié)構(gòu)的晶格參數(shù)精修晶格參數(shù) 196
8.4 空間群的確定 197
8.4.1 晶系和勞厄群的確定 197
8.4.2 系統(tǒng)消光 198
8.4.3 強(qiáng)度的統(tǒng)計分布 200
8.4.4 實(shí)例1：空間群的確定（Jana2020軟件） 200
8.4.5 實(shí)例2：空間群的確定（Expo2014軟件） 205
8.5 晶胞內(nèi)的原子數(shù) 207
小結(jié) 207
思考題 208
第9章 晶體結(jié)構(gòu)解析與晶體結(jié)構(gòu)精修 209
9.1 全譜擬合提取結(jié)構(gòu)因子 210
9.1.1 Pawley全譜擬合 210
9.1.2 Le Bail全譜擬合 210
9.1.3 全譜擬合的性能指標(biāo) 211
9.2 晶體結(jié)構(gòu)解析的原理 214
9.2.1 利用帕特森函數(shù)解析晶體結(jié)構(gòu) 215
9.2.2 利用直接法解析晶體結(jié)構(gòu) 220
9.2.3 利用Charge Flipping技術(shù)解析晶體結(jié)構(gòu) 223
9.3 Rietveld晶體結(jié)構(gòu)精修的原理和策略 226
9.3.1 Rietveld晶體結(jié)構(gòu)精修的原理 226
9.3.2 Rietveld晶體結(jié)構(gòu)精修的策略 227
9.4 晶體結(jié)構(gòu)解析（Jana2020軟件） 231
9.4.1 Jana2020軟件簡介 231
9.4.2 Jana2020軟件的界面、功能 231
9.4.3 利用Jana2020軟件進(jìn)行晶體結(jié)構(gòu)解析的步驟 232
9.4.4 實(shí)例1：利用Charge Flipping技術(shù)解析PbSO4的晶體結(jié)構(gòu) 237
9.4.5 實(shí)例2：利用帕特森合成技術(shù)解析PbSO4的晶體結(jié)構(gòu) 242
9.4.6 實(shí)例3：CeRhGe3合金的晶體結(jié)構(gòu)解析 250
9.4.7 實(shí)例4：YFe/AlO摻雜結(jié)構(gòu)的解析 255
9.4.8 Jana2020軟件中的常見問題 260
9.5 晶體結(jié)構(gòu)精修（GSAS-II軟件） 262
9.5.1 GSAS軟件簡介 262
9.5.2 GSAS-II軟件的界面、功能 263
9.5.3 利用GSAS-II軟件進(jìn)行晶體結(jié)構(gòu)精修的步驟 264
9.5.4 制作儀器參數(shù)文件 265
9.5.5 實(shí)例1：PbSO4的晶體結(jié)構(gòu)精修 268
9.5.6 實(shí)例2：多個物相的晶體結(jié)構(gòu)精修 271
9.5.7 實(shí)例3：YFe/AlO摻雜結(jié)構(gòu)的精修 274
9.5.8 GSAS-II軟件中的常見問題 277
9.6 晶體結(jié)構(gòu)精修（FullProf軟件） 280
9.6.1 FullProf軟件簡介 280
9.6.2 EDPCR軟件的界面、功能 281
9.6.3 利用FullProf軟件進(jìn)行晶體結(jié)構(gòu)精修的步驟 282
9.6.4 儀器分辨文件的制作 284
9.6.5 實(shí)例1：CeO2的晶體結(jié)構(gòu)精修 285
9.6.6 實(shí)例2：多個物相的晶體結(jié)構(gòu)精修 287
9.6.7 實(shí)例3：YFe/AlO摻雜結(jié)構(gòu)的精修 291
9.6.8 FullProf軟件中的常見問題 295
小結(jié) 301
思考題 302
附錄A 常見衍射數(shù)據(jù)格式 303
A.1 MDI Jade軟件中的常見數(shù)據(jù)格式 303
A.2 CSM軟件中的常見數(shù)據(jù)格式 305
A.3 Jana軟件中的常見數(shù)據(jù)格式 305
A.4 Expo軟件中的常見數(shù)據(jù)格式 306
A.5 FullProf軟件和WinPLOTR軟件中的常見數(shù)據(jù)格式 307
A.6 GSAS-II軟件中的常見數(shù)據(jù)格式 308
附錄B 常用衍射數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換軟件 311
附錄C 常見衍射分析軟件 313
附錄D 原子半徑周期表 315
參考文獻(xiàn) 316
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