布魯克X射線部門(mén) 張振義

接著隨寫(xiě)，這幾天在D8 VENTURE上做粉末的一些數(shù)據(jù)，就寫(xiě)寫(xiě)關(guān)于粉末的一些東西吧。粉末其實(shí)和單晶的實(shí)驗(yàn)思路是相通的。

一、自動(dòng)化XRD2 EVAL的使用

使用 D8 VENTURE/QUEST 采集少量樣品，以及低溫環(huán)境下的粉末 XRD 數(shù)據(jù)，已經(jīng)成為日常工作中的常態(tài)。甚至很多時(shí)候，我們能得到非常好的數(shù)據(jù)用于結(jié)構(gòu)精修。APEX6 的 XRD2 EVAL 在原有基礎(chǔ)（Integrate Debye Rings）上，新增了自動(dòng)設(shè)計(jì)策略、數(shù)據(jù)收集功能，使這一功能更趨自動(dòng)化、簡(jiǎn)潔化。通常我們只需設(shè)置探測(cè)器距離、目標(biāo) 2theta 范圍和曝光時(shí)間，就能獲得痕量樣品 —— 甚至幾個(gè) μg 樣品的 XRD 數(shù)據(jù)。對(duì)于需低溫保溫的不穩(wěn)定樣品，或需開(kāi)展變溫相變研究的樣品，D8 VENTURE/QUEST 配置的低溫模塊可方便地支持實(shí)驗(yàn)。

軟件操作如今十分簡(jiǎn)單：打開(kāi) XRD2 EVAL，右側(cè)會(huì)自動(dòng)彈出 XRD 采集實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

▲圖1  XRD2 EVAL界面

在 Setup 界面中，選擇 Scan 模式及對(duì)應(yīng)的光源。與普通粉末 XRD 一致，Cu、Ga 靶通常能獲得更高的角度分辨率，而 Mo、Ag 靶的極限分辨率（d值）更優(yōu)，且對(duì)強(qiáng)吸收樣品具有更好的穿透性。

在 Strategy 界面中，設(shè)置目標(biāo) 2theta 范圍與探測(cè)器距離。常規(guī)單晶測(cè)試的距離（40 mm-50 mm）通常無(wú)法滿足粉末 XRD 的角度分辨率需求，根據(jù)測(cè)試幾何的基本原理，探測(cè)器距離需設(shè)置得更遠(yuǎn)，通常在 100 mm 以上（D8 VENTURE/QUEST 的遠(yuǎn)距離為 240 mm）。為提升樣品取向統(tǒng)計(jì)性，粉末 XRD 測(cè)試常選擇 Phi 360 模式（即旋轉(zhuǎn)一圈，只采集一張圖）；但若為純粉末樣品，則無(wú)需如此，Still 模式同樣能獲得質(zhì)量好的 XRD 圖譜。

▲圖2 Still模式和Phi360 rotation 模式的結(jié)果差別

▲圖3 setup

軟件會(huì)根據(jù)距離與角度范圍自動(dòng)設(shè)計(jì)粉末 XRD 測(cè)試方案，此時(shí)只需執(zhí)行 “save”（保存）和 “collect”（采集）操作即可。軟件會(huì)自動(dòng)收集、處理粉末數(shù)據(jù)，并將其拼接為大范圍的粉末 XRD 圖。

▲圖4 data collection

后續(xù)可通過(guò)各類選擇工具圈選區(qū)域并積分，從而獲得常規(guī) XRD 數(shù)據(jù)。

▲圖 5 Integrate

▲圖6 XRD data

得到的 XRD 數(shù)據(jù)可保存為 Bruker 的 RAW 格式，用于 EVA 和 TOPAS 軟件繼續(xù)分析；也可在下方通過(guò) “save” 功能保存為.XY 格式。當(dāng)然，也可直接在 EVA 中導(dǎo)入 sfrm 衍射圖進(jìn)行分析。

▲圖7 save data

質(zhì)量好的粉末 XRD 圖譜應(yīng)呈現(xiàn)均勻連續(xù)的 Debye 環(huán)，這樣才能保證積分強(qiáng)度的準(zhǔn)確性 —— 不過(guò)這也與測(cè)試目的相關(guān)：若只用于物相分析，對(duì)強(qiáng)度的要求則無(wú)需過(guò)高。軟件操作本身并無(wú)難點(diǎn)，真正的挑戰(zhàn)在于制樣及細(xì)節(jié)把控。

二、制樣

若樣品本身為細(xì)粉末且質(zhì)地緊密，常規(guī)上樣方式即可滿足需求（例如用真空脂將樣品粘在 loop 環(huán)上，直接對(duì)心）；若樣品松散，則需優(yōu)化制樣方式，例如研究如何壓片、如何采用毛細(xì)管（石英玻璃或 Polyimide 材質(zhì)）裝樣。

▲圖8 Polyimide毛細(xì)管制樣

三、調(diào)整光路

除制樣外，機(jī)器光路的調(diào)整有時(shí)也十分必要。室內(nèi)單晶 X 射線衍射儀的微焦斑光源多采用聚焦光模式，且聚焦點(diǎn)位于樣品位置，這樣一來(lái)，出射光路在檢測(cè)器上會(huì)呈發(fā)散狀態(tài)，進(jìn)而導(dǎo)致 XRD 衍射峰展寬。若需獲得高分辨率 XRD 峰，需降低入射光的發(fā)散度：D8 VENTURE/QUEST 配置了多種不同發(fā)散度的磁吸準(zhǔn)直管，可實(shí)現(xiàn)快速切換。但需注意：降低發(fā)散度的同時(shí)，光強(qiáng)度會(huì)大幅下降，因此需相應(yīng)延長(zhǎng)曝光時(shí)間。可見(jiàn)，單晶測(cè)試與粉末測(cè)試的需求存在本質(zhì)差異，需求不同，參數(shù)設(shè)計(jì)自然也不同。

▲圖9 發(fā)散度和XRD峰

四、總結(jié)

若掌握粉末測(cè)試的基本原理與重點(diǎn)需求，那么在單晶衍射儀上開(kāi)展粉末測(cè)試便只是基礎(chǔ)操作。所有實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)邏輯是相通的，無(wú)論使用何種儀器，基礎(chǔ)原理始終一致 —— 缺乏基礎(chǔ)，便難以做好實(shí)驗(yàn)。對(duì)于操作本身，看起來(lái)很炫的操作，其實(shí)并沒(méi)有什么難度。

看似復(fù)雜的事，其實(shí)可變得簡(jiǎn)單；但要把簡(jiǎn)單的事做好，卻需要不斷豐富知識(shí)儲(chǔ)備，讓認(rèn)知體系更完善。

-轉(zhuǎn)載于《布魯克X射線部門(mén)》公眾號(hào)