【乾貨】XRD數據處理:Scherrer公式計算晶粒尺寸

2021-01-15 科學10分鐘

很多人都想算算粒徑有多大

其實,我們專業的術語不叫粒徑,而叫「亞晶尺寸」,它表徵的並不是一個顆粒的直徑。這麼說吧,粉末由很多「顆粒」組成,每個顆粒由很多個「晶粒」聚集而成,一個晶粒由很多個「單胞」拼接組成。X 射線測得的晶塊尺寸是指衍射面指數方向上的尺寸,如果這個方向上有M個單胞,而且這個方向上的晶面間距為d,則測得的尺寸就是Md。如果某個方向(HKL)的單胞數為N,晶面間距為d1,那麼這個方向的尺寸就是Nd1。由此可見,通過不同的衍射面測得的晶塊尺寸是不一定相同的

如果這個晶粒是一個完整的,沒有缺陷的晶粒,可以將其視為一個測試單位。但是,如果這個晶粒有缺陷,那它就不是一個測試單位了,由缺陷分開的各個單位稱為「亞晶」。比如,一個晶粒由兩個通過亞晶界的小晶粒組成(稱為亞晶),那麼測得的就不是這個晶粒的尺寸而是亞晶的尺寸了。

為什麼那麼多人喜歡拋開專業的解釋而用「粒徑」這個詞呢?都是「納米材料」惹的禍納米晶粒本來就很小,一般可以認為一個納米晶粒中不再存在亞晶,而是一個完整的晶粒,因此,亞晶尺寸這個術語就被套用到納米晶粒的「粒徑」上來了。實際上, 國家對於納米材料的粒徑及粒徑分布的表徵是有標準的,需要用「小角散射」方法來測量。比如,北京鋼鐵研究總院做這個就做了很長時間。但是呢,一則,做小角散射的地方還不多,做起來也特別麻煩(現在好一些了,特別是對光能自動一些了),所以,很少有人去做。而且,用衍射峰寬計算出來的「粒徑」總是那麼小,何樂而不為呢?私下地覺得吧,有些人在偷換概念。久而久之,大家也就接受了。

我們常見的謝樂(Scherrer)公式表達式為:

D=Kλ/(βcosθ)

K為常數;λ為X射線波長;β為衍射峰半高寬;θ為衍射角。在上式中常數K的取值與β的定義有關,當β為半寬高時,K取0.89;當β為積分寬度時,K取1.0。

但是在實際操作中如何從一張普通的XRD圖譜中獲得上述的參數來計算晶粒尺寸還存在如下問題:用XRD計算晶粒尺寸必須扣除儀器寬化和應力寬化影響。如何扣除儀器寬化和應力寬化影響?在什麼情況下,可以簡化這一步驟?

答:在晶粒尺寸小於100nm時,應力引起的寬化與晶粒尺度引起的寬化相比,可以忽略。此時, Scherrer 公式適用。但晶粒尺寸大到一定程度時,應力引起的寬化比較顯著,此時必須考慮引力引起的寬化,Scherrer 公式不再適用。

我們在計算晶粒尺寸時, 一般採用低角度的衍射線,如果晶粒尺寸較大,可用較高衍射角的衍射線來代替。謝樂公式適用範圍為1-100 nm,晶粒尺寸小於1 nm大於100 nm時,使用謝樂公式不太準確,當晶粒尺寸在30 nm時其計算的結果最準確。同時,謝樂公式只適合球形粒子, 對立方體粒子常數K 應改為0.943,半高寬應該轉化為弧度制,即[(β÷180)×3.14]。

下面這個圖是Jade5.0所讀的晶粒尺寸為264(A°)即為26.4 nm。

這邊有的數據是X射線波長λ=0.15405 nm , 半高寬β=0.332,2θ=36.159。我們是這樣算的:

自己計算出來的值和用軟體計算出來的值很接近。

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