XRD精修

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项目介绍

Rietveld精修能够提取多晶衍射谱图中的全部信息,越来越成为主流的XRD数据处理方式。通过Rietveld精修,可以获得精确的晶胞参数、晶粒尺寸、微观应变、温度因子、占位率、物相含量等信息。

1. 选择合适XRD仪器。

仔细使用标准样品按照厂家给的操作规程进行校准,记录仪器的零点误差,部分精修软件需要这个参数值;仪器分辨率越高越好,影响分辨率的因素包括光管的焦斑大小、测角仪半径、狭缝等等。但也不要过分追求分辨率,比如增大测角仪半径会提升分辨率,但会导致谱图强度的下降,需要小心的权衡。

2. 样品制备策略

采用合适策略研磨粉末至无颗粒感,颗粒最佳大小在1-10μm。取适量粉末倒入样品池,轻轻压平,确保粉末表面与样品池上表面等高。

块状样品需要将测试部位加工平整,并小心安装样品,确保样品测试面与聚焦圆相切。

3. 选择合适的测试参数

选择合适的测试参数,管流、管压、狭缝宽度、测试时间或扫描速度,记录所有的测试参数。确保衍射图最强峰强度大于10000counts,中等强度的衍射峰强度大于3000counts。尽量测试到120°或更高的2Theta角度范围。高质量谱图是得到好的精修结果的前提。某些精修软件如TOPAS使用前述参数中的狭缝宽度等参数计算仪器展宽的理论值,另一些软件如GSAS、MAUD等使用标准样品获得仪器参数文件。需要注意的是,标准样品的测试参数要与实际样品的测试参数一致。通常可以向仪器管理人员索取标准样品的测试谱图,按照软件手册制作仪器参数文件,部分实验室可以直接提供仪器参数文件。

4. 物相鉴定与获取cif文件

仔细完成物相鉴定,从数据库获取cif文件。常用的数据库如ICDD的PDF4+卡片库或PDF5数据库(2024年开始发行)、ICSD无机物库、剑桥结构数据库(CSDS)、晶体学开放数据库(COD)等。如果初步精修发现某些衍射峰没有相应的布拉格线或计算谱,则需要返回检查物相鉴定结果,是否需要增加物相。

5. Rietveld精修软件

Rietveld精修软件种类繁多,学术论文中常用的精修软件有GSAS、GSASII、Fullprof、MAUD和TOPAS,部分XRD仪器厂商的数据处理软件也可以完成Rietveld精修。选择适合软件开始你的精修。

6. Rietveld精修策略

Rietveld精修软件的实际操作往往并不容易,也没有固定的精修套路或者步骤,令初学者非常困惑。仔细阅读软件手册或者教程,并向经验人士请教,可以让你快速提高。Rietveld精修过程中,往往需要调整几十个甚至上百个参数,一个基本的策略就是不要同时放开过多的精修参数,这很容易使精修发散。另外就是影响大的因素先精修。

对于初学者建议的顺序如下:标度因子 → 谱图背景 → 晶胞参数  → 样品偏移  → 峰形(晶粒尺寸、微观应变、不对称因子等)→ 原子坐标  → 温度因子  → 择优取向   → 透明度 → 原子占位率。如果存在晶粒尺寸各向异性,则需要选择合适的模型处理,部分精修软件不能处理晶粒尺寸各向异性。不要拘泥于上述顺序。Rietveld精修没有必须要遵循的特定步骤,只要精修不发散,任何顺序都是被允许的。精修过程中,仔细观察计算谱与实测谱的差异,并思考是什么因素导致了拟合不好,这需要使用者对XRD原理和包括空间群在内的晶体学知识有较深刻的理解。

7. Rietveld精修结果的判断

使用Rwp因子、χ2来监测Rietveld精修过程,在整个精修过程中,这些因子应该一直是下降的(蒙托卡罗模拟过程例外)。通过误差线的平直程度和结构模型的化学合理性来判断Rietveld精修结果的好坏。

最后,再次强调,高质量的谱图是获得好的Rietveld精修结果的前提。选择合适的仪器设备和测试参数、采取适当的制样策略是获得高质量谱图的关键,这一点往往被忽视。实际工作中,见到不少原始谱图非常毛糙的数据(比如最强峰峰高才1000counts),这种数据即使做完了精修,其结果也是不可靠的。


结果展示

精修常见拟合参数说明:

一般精修拟合参数是4个R因子判据和 Gof / χ2,这里给出一些精修结果判据因子的数学公式。

通常以为,Rwp < 15%,S ~ 2可用,Rwp<10%最好。

其中,红色圆圈表示原始数据;黑色实线表示计算数据,精修图谱;绿色竖线表示布拉格位置;蓝色实线表示两者的差值,差值越小,线段越直,拟合结果也就越好。放大绿线中差值比较明显的部分,可根据呈现出的不同形状类型,应用于精修过程中不同的改进策略。


样品要求

提供谱图源文件(raw、xrdml、mdi、csv、txt、asc等常见格式),最强峰峰强至少达到5000,一万左右最佳,无机物材料的测试范围最好是5-120°,信噪比高,需要自己先定性。