材料表征与仪器分析

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1、材料表征与仪器分析引言一. 通用X射线粉末衍射二. 无定形结构、纤维和层状结构的衍射三. EXAFS四. HRTEM五. 电子衍射六. 光谱七. 结构预测引言材料表征或结构测定是大部分材料和化学研究工作重要的第一步。Accelrys的软件可帮助研究者用先进算法预测结构，模拟、解释及应用由分析仪器得到的数据。这些工具集成于Cerius2软件，一个支持分子结构的模型搭建、操纵和高质量三维结构显示的成熟的软件环境。了解你制备出了什么物质以及它的物理性质怎样，是能够明智和有益地使用一种材料所必需的。基于 晶体结构和原子组成的可靠的材料表征技术的使用仅有50年历史。这些工具的存在对科学家们了解材料 的结

2、构带来了巨大变化。计算技术的使用可以有两种方式： 通过分析解释传统分析手段的结果来鉴别一种实验化合物； 通过模拟分析仪器来预测分子模型的性质。分析手段可分为下面三大类： 衍射 光谱 显微技术对上述分析方法计算机都可以进行模拟。衍射衍射是电磁辐射波动性的一种表现，当辐射经过一边缘或通过一小孔时发生弯曲而形成。当电磁辐射 经过一化合物时波的干涉就揭示了材料的结构信息。辐射的种类影响所得衍射图像的分辨率，并由此判断是否适合测定该种材料。常用的有电子衍射、中 子衍射和X射线衍射，而X射线衍射是用于确定晶体结构的最常用的工具。粉末衍射是X射线在粉末状晶体物质上的衍射。粉末X射线衍射给出的信息比单晶X射线

3、衍射少，但 更简单和快捷。光谱光谱技术根据原子或分子（或者原子和分子的离子）对电磁波的吸收、发射或散射来定性定量研究原 子、分子或物理过程。IR （红外）光谱测定样品对中红外线的吸收波长和强度。对红外发射的吸收取决于化学键。显微技术显微技术是利用辐射和光学来得到一物体的放大图像。电子显微学分析手段有扫描电镜（SEM）、扫描隧道电镜（STM）和透射电镜（TEM ）。结构预测用分子动力学可以对分子体系进行快速近似的能量计算，快速得到最低能量结构。量子力学技术提 供精确的第一原理的原子和电子结构预测。预测的结构可以通过与实验数据的比较得到验证，这些实验数据通常是从分析仪器中输出的材料表征的应用材料表

4、征需要对分子模型运用计算分析仪器，计算技术不仅可以预测一种模拟化合物的衍射图等，还 可以从衍射图外推回来预测实验化合物的结构。这些技术的使用使科学家可以计算模拟化合物的物理性质 而无需经过合成新材料的费用昂贵的和费时的过程。分析仪器和分子模拟的结合对了解结构和性能是有力的帮助。Accelrys软件对分析技术的计算机模拟使你可以在计算机上得到分析结果，帮助解释实验数据。你还可以用实验结果来验证模拟的结构模型，在许 多情况下，你甚至可以根据实验数据精修结构。这种实际和虚拟实验室之间的纽带大大促进了分子和材料 的结构确定和表征，并且提高了模拟的效率。分析技术应用于几乎所有的研究机构，如应用在制药、化

5、学 和石化工业中的由衍射数据确定晶体结构；电子工业中用EXAFS分析表面、界面和缺陷以及使用电子显微技术；塑料、结构材料和航空航天工业的无定形聚合物和玻璃的 X 射线散射分析；食品工业和油气公司勘 探部门的定量相分析，等等。下面是Accelrys的材料表征软件应用于工业领域的一些例子。预测分子的紫外/可见光谱帮助科学家设计染料。给出一个分子模型可以计算该化合物的非线性光学性 质，还可以预测随添加或去除官能团引起的颜色改变。新材料可以用分析软件进行表征和优化。荷兰的Akzo Nobel公司已经用Accelrys的软件表征了一种新的刚棒聚合物纤维。 图像可以用计算技术来模拟，依据该信息来选择合适的

6、成像技术以及帮助科学家解析已有的图像。英国煤气公司用Accelrys的软件建立了一种对岩心样品进行定量相分析的快捷的方法，用这种方法不需要物理标样。加拿大电气协会的研究人员用Accelrys的软件来预测聚合物膜的红外光谱。一. 通用X射线粉末衍射Cerius2和Materials Studio都提供了由粉末衍射数据确定晶体结构和模拟及显示最终结果的强有力的工 具。1、衍射模拟晶体结构模型可以很快地用Cerius2中的建模工具搭建，然后，用C2.Diffraction-Crystal模块只需按一下键就可以得到晶体的衍射图。现在，用Materials Studio中的Visualizer和Refl

7、ex模块在PC机上也可以实现这个功能。模拟数据可以在同一个显示界面上与由衍射仪直接输入的实验数据比较，然后调整模型，同时 监控由此引起的衍射图的变化，努力使模拟图与实验图相匹配，从而确定晶体结构。2、结构精修上述手动调整只有在尝试结构与实际结构非常近似，或者需要研究晶体中缺陷和取代的影响时才有实 用性。用C2.Rietveld模块可以实现自动 Rietveld精修，它为运行广泛使用的DBWS和GSAS程序提供了商业品质的图形用户界面，另外，还可以形象化显示由实验图计算的电子云密度等。Materials Studio的Reflex Plus模块提供了运行于 PC机上的用户界面友好的强有力的Rie

8、tveld精修工具。3、粉末指标化C2.Powder Indexing 和 Materials Studio.Reflex 的衍射图指标化工具有助于建立用于自动或手动精修的尝 试性结构。它的 Computational Instrument 结构重现了实际仪器的使用过程 -使得日常分析变得特别方便。4、多晶形预测Cerius2中还有Polymorph模块用于在没有粉末数据时由第一原理预测分子晶体结构。Powder Solve这一整套由粉末图确定晶体结构的功能模块由Accelrys的Molecular Crystallization Consortium 支持发展。这些功能现在已经可以用Mate

9、rials Studio的Reflex Plus模块在PC机上实现。有了高质量的实验粉末图和一组分子碎片，晶体结构的确定需要三步：第一步，用C2.Powder Indexing模块对粉末图指标化；第二步,C2.Powder Solve模块搜索单位晶用 C2.Powder Fit 模块精修晶格参数，确定峰形和背景的优化值；第三步， 胞中分子碎片可能的形态，给出一个其模拟图与实验粉末图最接近的结构。5、典型功能包Accelrys 的模块化软件环境使你可以建立适合自己研究需要的功能包。 下面给出基于粉末衍射的结构确 定的典型 Cerius2 功能包： C2.Visualizer C2.Crystal

10、 Builder C2.Diffraction-Crystal C2.Powder Indexing C2.Rietveld C2.Diffraction-Faulted （可选，适用于无机框架结构） C2.Polymorph（可选，适用于有机分子结）构用 Materials Studio 在 PC 机上由粉末衍射数据确定结构需要： MS.Visualizer MS.Reflex Plus希望利用 InsightII 的模拟退火功能的用户可用如下的模块获得同样的功能： Solids Builder, Solids Adjustment, Structure Refine, Structure

11、Solve。二、无定形结构、纤维和层状结构的衍射不同波长范围的谱学技术在不同尺度上探测结构信息。目前在许多大公司里，无定形、晶型或纤维聚 合物的衍射技术已标准化。红外谱非常普遍，用来研究局部结构的详细信息。用Accelrys的Cerius2软件的衍射模块可以由尝试性结构计算无定形或晶体衍射图，然后与实验数据比较并 对尝试性结构精修。这样就可以对聚合物结构有详细的了解，并以此作为其它计算或进一步材料改进的基 础。Cerius2的Builder模块可以很容易地建立和显示孤立的聚合物链、无定形和晶型聚合物。模拟高分子和其它无定形体系的非常重要的第一步就是要建立关键结构的表征及验证所用的模型，X射线散

12、射常常用来达到这个目的。小角 X 射线或中子散射技术用来表征界面厚度和胶体中的胶团尺寸。以 前，把这些技术与原子结构和行为联系起来非常困难。Cerius2提供了衍射模拟功能，并经发展包含小角散射，这样就使上述联系成为现实。通过Cerius2.Visualizer中的绘图功能和分子力学和动力学可以把模型建立 起来，然后用 Cerius2.Diffraction-Amorphous 模块来模拟散射。用 C2.Diffraction-Faulted 模块可以模拟缺陷或 层状结构的粉末衍射图，帮助表征分子筛、粘土等物质的结构。Accelrys 的 Cerius2和 Insightll 都提供了模拟这些

13、散射的工具。在Cerius2 中，Cerius2.Amorphous Builder可用来建立本体或孤立链的模型。 Cerius2.Diffraction-Amorphous 可以由这些模型模拟衍射。在 InsightII 中，用 Amorphous Cell 建立结构模型和进行衍射模拟。 Amorphous Cell 具有对许多链的计算 进行平衡的能力 -使计算对液体更精确。三、EXAFS扩展X-射线吸收精细结构-EXAFS广泛应用于局部原子结构的表征。EXAFS可以绘出某一能量附近的X-射线吸收的精细结构。在研究无序和缺陷结构时，建立特定原子位置附近的配位作用和化学环境是必需的。EXAFS

14、 用来提供下述在商业和科学上都非常重要的材料的上述信息：玻璃、硅酸盐、金属茂蛋白、离子导电固体、催化剂、 络合分子和表面。EXAFS 结果的效用取决于数据解释，用计算程序来分析和比较实验数据与模拟得到的数据。尽管这些 程序经过充分验证和被广泛应用，但它们的功能还是十分有限。他们没有图形用户界面，常常难于使用， 建模工具的缺少使得模拟单调乏味。由于结构数据的输入可能极端费时，这就使得交互式结构精修实际上 无法实现。1、C2。 EXAFS 怎样使你受益C2.EXAFS提供运行EXCURV92的完整的界面，EXCURV92由英国的Daresbury实验室开发，是EXAFS 的最主要的程序。 C2.E

15、XAFS 提供包括计算多种散射途径的可靠的分析技术和全面的模拟方法。C2.EXAFS完全集成于Cerius2模拟环境中，这意味着你可以： 通过设计清晰的易于使用的图形用户界面使用EXCURV92。快速搭建和显示分子、晶体、缺陷、表面和无定形结构的模型。 读入 EXAFS 实验数据并直接与模拟数据比较。 交互式地改变分子模型和重算 EXAFS 图 依据实验 EXAFS 数据精修结构参数然后立即应用于结构模型。只需按一下键就可以由 EXAFS分析转到Cerius2其他的模块，进行粉末衍射或HRTEM预测、分子性能 模拟或一系列力学性能和热性能的研究。用C2. EXAFS你可以克服EXAFS分析和模拟的局限性，通过 Cerius2,分析变得易于使用，EXAFS数 据可以快速直接地与结构模型相联系。Cerius2可以给出多种形式的计算结果，使你可以把EXAFS与许多其它方式的研究程序结合起来。2、模拟细节 使用平面或曲波理论 2。 包括多种散射途径 -这可以很容易地由结构模型定义。 从分子、三维周期性模型或二维周期性表面都可以进行模拟。 在任何吸收边缘计算 EXAFS 数据。 由每一个原子从头算计算势能和相转变。