XRD物相检索的过程详解

 

检索的步骤

 

先来说说检索的步骤，这只能是泛泛而谈了。把数据读入JADE后，我一般不做任何处理就先检索物相，有人喜欢先平滑，但是，平滑的数据会失真，如果不是衍射图特别不好，建议不要先做平滑，当然也不要扣背景，扣Ka2了。这样做的目的，只是为了最真实地找出物相来。在按下S/M后，也会有一个提问，也是问要不要扣背景，也是回答N的。

 

鼠标的右键按下S/M，建议不要用左键按。右键按下后会出现一个对话框，这里要做的主要是：选择PDF卡片数据库，我一般只选4个库，即无机物，矿物，ICSD无机物和ICSD矿物。当然，如果你做陶瓷，则也应当加上陶瓷库。

 

第二个要选择的是要不要加入元素过滤器。这是随时改变的。

 

一个样品第一次检索时，我一般懒得加元素限定条件，也就是不选择元素过滤器，让系统自动在全部卡片上过一遍，看看能否找得到所要的物相。一般都能找出一个两个物相来，选上它。返回到初始窗口。

 

右键再次按下S/M，打开条件对话框，加入元素限定条件。

 

加元素绝对不是一古脑儿都加进去，而是有意识，有步骤地加入。检索的过程，我经常说是一个猜数的过程。自己脑子里先有结果，然后再有意识地去找出来，得到验证。

 

现在很多人做掺杂，做合金的喜欢做大概有10种元素的合金，是否要一次性地把这些元素都加进去呢？肯定是不行的。有些元素，加入量极微，起一些特殊作用，也形成新相，但是，这些相只有通过电子探针或TEM才能找得出来，用XRD是绝对检测不出来的，因此，在加入元素时，要考虑会形成什么样的相，才加入什么样的元素。即使会形成量较多的相，但是，也不要全部加入，一次加入的元素原则上不超过4个，否则就起不到“元素限定”的作用。?在的意识地加入某些元素后，再检索，可能会找到另外一些次要相。

 

在反复几次后，可能还有一些峰没有找到对应的物相，这时，先点一下“画峰按钮”（即求面积的按钮），在一个较强剩余峰下面划一下，即选定这个峰，再S/M，可能会找到与这个峰对应的物相。

 

在这里要注意两个问题，一是，不能光看是否与这个峰对应，还应当考虑是否有其它峰与所找出的物相谱对应。

 

二是要不要加入元素限定，可以先不加入元素，大范围地找，如果找不出，再加入元素限定再找。

 

如果找选的峰找不出新物相来，则换个峰试试。

 

检索的步骤就是这样，需要反复地去S/M，支摸索。你可以先把可能的相都选上，然后，再一个一个地验证，如果明显矛盾就去掉。如此反复，以至全部峰都找到相应的物相。

 

如果我们把样品分类，照我的理解，可以分成三大类：  第一类是天然矿物，第二类是人工合成，第三类就是合金。下面我来说说这些样品的特色。照我的理解，天然矿物是最好分析的，因为就那么些种类，而且，天然矿物的数据库特别地全，所有已知矿物都能找到相应的卡片，不存在“新相”的问题。数据库中的数据最成熟。但是，天然矿物也是最容易出现“错判”的样品，特别是粘土类样品，更是这样。有些粘土类矿物，大家都长得差不多（峰位重合），很难根据一个谱线来说这个样品一定就有什么。

 

不过，矿物都有自己的一些特性，比如，蒙脱石能吸水、甘油等，遇到这些东西会涨起来，峰位会往左边偏，高岭石在高温下会被烧掉，绿泥石能溶于热盐酸等。因此，分析一个这样的矿物样品需要做多个实验。测多次谱线，最后来证明到底有什么，没什么。

 

当然，对于矿物来说，还有地域的问题，有酸性地与碱性地的问题，有成矿原因，大地构造的问题。有人非说新疆某地区长出了高岭石，那会闹出笑话来。

 

这种问题不是XRD本身能解决的，这说明，用XRD来分析物相，专业知识是多么重要！

 

世界上最好分析的样品应当就是人工合成的了。它们的衍射谱绝对“标准”，甚至不加入任何限定条件就能找出来主要的物相来。但是，也有点问题。

 

第一个问题，可能是化学家偷懒了。合成后的样品没有清洗干净，带有很多原材料在里面。这时应当考虑会是什么东西没洗干净，有意识地去找这种东西。

 

第二个问题是，反应没有完全，带有中间产物，这时可能就惨了。因为很多中间产物在PDF卡片库中没有数据。根本找不出是什么东西来。只知道它是一个中间产物。

 

第三个问题可能也是第二个问题，产物是非晶、部分非晶、结晶不完整，导致峰宽化特别严重，有些峰根本都看不到。如果在差一点的仪器上检测，而且扫描速度快一点的话，也许看到的就是一根平线。这时候只有猜了，猜出多少是多少。

 

很多人在做化学掺杂，有人就问到，掺杂后是不是有新相出现呢？我个人以为，如果掺进去了，就不会出现新物相，衍射谱是很好的与没掺杂前一样的谱线，这是因为，掺杂只是原子占位的问题，原来的原子位置被“杂质”原子所占有，晶体结构如果发生改变，只是很少的改变，只是峰位的微小变化。凭眼睛是看不出来的，如果非得要知道变化了多少，需要用到结构精修。

 

当然，如果没有掺进去，就会有其它相的存在，这些其它相，可能是原料相，也可能是中间相。做电池的知道，LiMnO2里面掺点Ni,Co进去，还是LiMnO2结构，但精修后，结构有点不同。如果没有掺得好，会有MnO2,Mn3O4以及其它氧化物存在，如果反应不好，可能会有很宽的衍射峰出现。这时就真不知道是什么东西了。

 

再来说一下第三类样品，就是合金。

 

带首饰要带纯金，做人要做赤子。但是，做金属材料的就不喜欢做纯金属，这些都有人做过了，没做头了。因此，大家就一个劲地往某种纯金属里面掺杂。少的两三种，多的十多种，混在一起一锅煮。最后生成个什么东西呢？为了知道生成了什么东西，就会想到用XRD。但是，这就苦坏了做XRD的人。因为：?合金中存在固溶现象，其它金属原子可以进入到其它金属原子的结构中进行置换，形成所谓的固溶体。因为固溶原子的进入，衍射峰变宽，而且还移位。有时候会什么相都找不出来。?如果是固溶引起的峰位移，那么，一般情况下峰会往一边移，如果发现PDF线都落在衍射峰的一边，而且还一个个地对应得很好，就算有这种玩意了。

 

固溶对基体相的影响还好处理，不好处理的是析出相。这些相的含量本来就很低，加上有固溶的影响，就变得似是而非了。总体的原则还是这样，我们不管强度对应与否，不管位置误差，只要一一对应就好了。?合金的另一个问题是加工。

 

铸铁只能用来做锅子炒菜，做水管还只能做下水管。合金是要经过加工的。但是，一加工，就有织构，有择优取向了。这时候的问题就来了。

 

首先是强度不能匹配。本来应当高的峰可能变得很低了，而本来低的峰变得很高了。这一点都不奇怪。这是择优取向造成的。更为严重的是，有时候某个峰会低得消失了。因此，在分析合金样品时，不要去考虑强度的匹配问题。而且，如果有某条线没有对上，也不要紧。总之，在分析合金样品时，要灵活一点，要专业强一点。要懂点相图。或者看点资料，查查人家怎么说，要不，真的会什么相都找不出来。

 

一个合金样品中，如果想反所有的相都找出来，是难的，难得不可能。因此，如果留下一两条很低的线不能辨别出是什么物相，除非你猜得着，否则的话，不标出来也无可厚非。

 

什么是FOM，有什么用？怎么用它？

 

我们可以说FOM是衍射谱与PDF卡片峰位、强度匹配的好坏。它是一个计算公式，当然，FOM值小，表示两者匹配得好，可信度高。因此，在S/M时，总是把FOM小的物相排在最前面。换句话说，最有可能的物相总是排在最前面。但是，我们不能光凭一个FOM就定生死，就说一定是它。FOM是对整个谱的匹配，考虑的是总体的情况，如果某个物相，90%都是完全对得很好，但是，明显的有一条谱线位置没有产生衍射峰，而且样品不存在明显的择优取向或定向生长，那么我们还是要否定的。最近手机老是收到短信“由于您上月用了XX元话费，因此得到一个获得免费XX的机会”，我一看不是真的一个免费的XX，而只是一个机会，我就知道又有人在骗我了。机会不是最后的定论，在手机短信里面就真不是了。因此，FOM只能作为参考。?在分析合金样品时，排在最前面的物相的FOM可能是1或者2，接着第二个物相就是99.99%了。那么，是不是这个排在最前面的物相就一定是呢？也不是，往往因为固溶和加工的原因，那些99.99%FOM的物相才真的是我们要找的物相。

 

元素怎样限定？

 

有人从地里面检块石头回来，希望了解里面是不是有金子。我告诉他，你走错门了，你应当去做化学分析或者去打个能谱。如果真的里面的金子，我倒可以告诉他怎么样把杂质去掉。因为我们可以分析这些除金子之外的元素是怎么样的赋存状态，分析这些元素形成了一些什么样的化合物。

 

但是，我们的前提是知道样品里面有些什么样的元素存在。

 

为什么一定要知道有什么元素存在呢？我们的目的只有一个，就是缩小搜索范围，增大检索的可信度。

 

S/M按钮到底干了些什么？是怎么干的呢？打个比方，公安局里存在有每个人的指纹库，抓到一个人以后，（不管他是好人还是坏了），对一下指纹就知道他是张三还是李四或者是王麻子了。这个事情想起来太简单了。因为各人的指纹是不一样的。但是，中国有十亿人，我们的PDF卡片库有多少张卡片呢？现在有26万张。在这么多卡片里，我们能保证绝对没有两张是完全相同的，但是，我们不能保证的是，没有两张是相似的。

 

因此，如果我们对样品一无所知，就来做XRD，我们只能告诉你，你的样品中可能存在的物相有“如下XX种”。

 

一般情况下公安局提到的指纹只是单个人的，而样品中存在的物相一般不只有一种，一个地质样品中含有10种不同的物相是完全不用感到惊奇的事情。想想如果10个人的指纹叠在一起，让公安局告诉你，他们都是谁，哪个怪才可以？想想，我们做XRD比做公安可难多了。?但是，如果事先知道，这个事情一定是一个女人（男人也可以）干的，搜索范围缩小一半，如果再知道其它的事情，搜索范围会缩小到几个人之间。多少冤案减少！

 

但是，具体做起来，我们还不能一古脑地把所有可能的元素都输入，这样，你又把范围扩大了。

 

我的建议是：

 

有目的，有意识地加入元素限定。比如，你想，这个样品中是不是有TiO2，你就只加入这两种元素。如果想想，样品中应当还有石英，你就把其它的元素都去掉，只加入Si,O。不要把一些微量元素加入。比如Zr只有微量溶入Al中，合金中加入微量0.02%就会形成Al3Zr。有人在电镜下看到了，文献了报道了，合金中肯定存在这种相。你又懒得去磨TEM样品，只想看看XRD，又想找出它来，那么你白想了。甚至有人怀疑，你的仪器是不是不行了，要换新的或者是你的数据库不全。这只是外行话，我们不必去理会。

 

加入元素时，从最多的加起。但是，少的也要试试。也许还真能生成一种XRD能看得到的相呢？但是，少于1%的建议不要试图从XRD中找出来。除非是地质样品，除非是含量很高的相，一次不要加入超过4个元素。多了，等于没有限定，还是会找不到。但是，地质样品，比如粘土矿物，每个物相都含有多种元素，这就没办法了。

 

关于微量相的检出

 

样品中的主要相要检出来是很容易的，因为它们的谱是全的，所有该有的线都会出现。而且峰也强，容易检出。

 

微量相检不出有三个原因。一是峰强低，二是谱不全，该有的峰也许根本都没出现，往往检到最后，只剩下两个峰没有检出了。三是峰形不好，象是峰又不象是峰。

 

解决的办法有三个：一个是“强线法”。选好剩余峰，如果能肯定剩余的两个峰同属于一个物相，也可以同时选好两个峰，再S/M。这种办法就是一般教科书上所说的“三强线法”，只不过软件里改成了“最强线法”。

 

第二个是用“猜”的办法。按上面选好线后，右键按下S/M，在元素限定时，尽可能少地加入元素。即只输入要猜的物相所包含的物相。很多时候，在含量低时，在峰位移时，在实在没办法时，往往凑效。

 

第三个是重做。把样品的面积尽可能扩大。大到与样品框一样大。把样品尽可能做平，如果是粉末，磨到200-320目大小。这样能提高衍射强度。尽可能地放慢扫描速度。理学18KW的衍射仪，用连续扫描方式，4度/min和8度/min没有多少区别。如果希望做出微量的含量在1-2%的相来，非得用1度/min或更小。用步进扫描。如果只是为了检出物相，可用步进宽度0.03度，停留时间2s。如果还想做别的用，就用0.02度，停留时间也是2s。这样做出来的谱线随你放大多少倍，都是很光滑的。

 

当然这样做只是为了提高计数强度和峰的平滑度。以便放大图谱来检出物相。但并不是这样做了就一定能检出所有的物相。有些对X射线吸收系数高的物相还是不会出现的，你得另想办法了。一般情况下，低于2%的物相不必想用XRD来检出，个别物相除外，例如Si。水泥中的物相低于10%也很难。蒙脱石等粘土需要大约3以上。