下面进入正题,分别讨论X射线衍射、中子衍射和电子衍射具有哪些其他技术所不能匹敌的优势,在最后综合比较时兼谈相应的不足。
1、
XRD具有其他两种技术所不能比拟的地方是它能最准确的测定晶胞参数。如图2所示,在精确确定晶胞参数这点上,中子衍射最不可取,一方面因为中子衍射波长practically相对较长,另一方面中子衍射波长的校准很难做的很理想,所以中子衍射的结果容易偏离真实值而且分散较大。电子衍射之选区衍射技术,角度(这里通过相机常数转化成distance)探测的精密性受限制(比不上XRD的成熟技术),况且多数时候靠人眼去分辨,加上相机长度、标尺的误差,很难得到精确标定;电子衍射之会聚束电子衍射(CBED),在精密性上相对选区要高,但CBED存在的不足,CBED测定一个微区晶格参数,而这个晶格参数很大程度上受到strain的影响,以至于不容易获得标准晶格参数。而XRD,尤其是高能同步辐射XRD,在精密确定晶胞参数上,具有着不可替代的优势,以至于当今的晶体结构信息库中的晶格参数大多采用XRD的结果。为了给读者增加一些感性认识,举例说明如下:如果拿标准Si粉(比如 SRM640, a = 5.4307 A,at R.T.),我们使用以下几种技术定量来比较标准差(standard error,σ):
i)SR_XRD (同步辐射XRD,比如 100 MeV, 波长0.0001A),σ原则上可以非常小,但实际标准样品本身的a值误差约在0.001A,所以practically,σ~0.001A;
ii)Cu-alpha_XRD (8 keV, 波长1.54 A),波长相对较长,但利用宽角度细扫(2θ:1~100deg, 0.005 step, 2万个数据点),充分利用多个衍射峰信息,使用全谱拟合,practically, σ~0.01A 的精度;
iii)电镜--哪怕是你提到的xstem?--多晶选区衍射环(300 keV, 波长约0.02A),波长相对Cu-a较小,但是衍射角很小,在当前现有技术下,在0.01~ 1deg之间我们能探测的最多点数是很受限制的,况且多数时候靠人眼去分辨,加上相机长度、标尺的误差,我没有见过通过电镜衍射得到σ小于0.1A的标定。
iv)如果是中子衍射的晶胞参数存在0.5A的差异也是不稀奇的。
图2 不同衍射技术测定晶格常数的"精"&"准"性对照图(本人制作):
三者相对而言,ND 既不精也不准;ED-SAED准而不精,ED-CBED精而不准;XRD既精又准。