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XRD精修教程1——XRD精修基本原理與GSAS軟件簡介

來源：本站時(shí)間：2020-11-03 21:41:31 瀏覽：23896次

1 引言

X射線衍射分析（XRD）是材料、地質(zhì)、物理、化學(xué)等眾多學(xué)科中是最基本但也是最重要的一個(gè)表征手段。它被廣泛地用來研究材料的相結(jié)構(gòu)、相成分、晶粒尺寸、晶粒取向和微結(jié)構(gòu)等。然而，最常用的多晶衍射法有著一些本征缺點(diǎn)，它得到的譜峰重疊嚴(yán)重，從而造成大量材料結(jié)構(gòu)信息損失。1967年，荷蘭晶體學(xué)家Hugo M. Rietveld提出了對中子衍射數(shù)據(jù)進(jìn)行Rietveld全譜擬合的方法，克服了多晶衍射僅利用積分強(qiáng)度的不足，充分利用了譜圖的所有信息，可以獲得多晶材料的結(jié)構(gòu)信息。后來，Rietveld方法也被用來對XRD數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。隨著算法的完善和應(yīng)用的推廣，Rietveld方法已經(jīng)成為獲得結(jié)構(gòu)信息和修正晶體結(jié)構(gòu)最重要的方法之一。

2 Rietveld法基本原理

Rietveld法是在給定初始結(jié)構(gòu)模型和參數(shù)的情況下，利用一定的峰形函數(shù)來計(jì)算多晶衍射譜，同時(shí)利用最小二乘法不斷調(diào)整晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)和峰形參數(shù)，從而使得計(jì)算譜圖與實(shí)驗(yàn)譜圖相結(jié)合，據(jù)此得到修正后的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

XRD精修基本原理與GSAS軟件簡介參考圖-1

Rietveld法不僅可以對常規(guī)X射線測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行多晶結(jié)構(gòu)修正，同時(shí)也可以對通過中子源和同步輻射源得到的結(jié)果進(jìn)行精修。XRD精修的典型應(yīng)用包括如下幾個(gè)方面：

（1）確定與修正晶體結(jié)構(gòu)；

（2）獲得點(diǎn)陣常數(shù)和晶胞體積；

（3）獲得鍵長鍵角；

（4）晶粒度測定；

（5）多相的定量分析；

（6）應(yīng)力應(yīng)變分析等。

3 GSAS軟件簡介

隨著XRD精修的逐漸普及，越來越多的軟件相繼問世，諸如MDI Jade，GSAS，F(xiàn)ullprof，TOPAS和High Score Plus等。其中，GSAS軟件開發(fā)較早，配有圖形化界面EXPGUI，而且操作簡單方便，因此使用最為廣泛。GSAS全稱為General Structure Analysis System，中文名字為“綜合結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)”，它不僅可以運(yùn)行在Windows平臺(tái)，還能夠在蘋果公司的Mac系統(tǒng)以及Linux等系統(tǒng)使用。GSAS不僅可以用來單獨(dú)精修常規(guī)X射線/中子衍射/同步輻射的數(shù)據(jù)，還可以將它們聯(lián)合起來進(jìn)行精修。GSAS軟件最初的版本是PC-GSAS，它是由美國的Allen C. Larson和R. B. Von Dreele共同開發(fā)處的，由于其采人機(jī)對話的方式進(jìn)行操作，因此非常復(fù)雜且不人性化，現(xiàn)在基本已不再使用。

XRD精修基本原理與GSAS軟件簡介參考圖-2

后來，B. H. Toby等人在PC-GSAS的基礎(chǔ)上編寫了圖形化的界面，構(gòu)成了現(xiàn)在最常使用的EXPGUI版本。該版本包含PC-GSAS的大部分功能，使用時(shí)注意引用文獻(xiàn)：B. H. Toby，EXPGUI，a graphical user interface for GSAS, J. Appl. Cryst. 2001，34，210。

XRD精修基本原理與GSAS軟件簡介參考圖-3