学术干货 | 看官，请您“御览”单晶结构测试要点

由上图可得，材料结构决定性质，对于材料的结构和组成的表征至关重要。有很多高大上的仪器，那么怎么样才能得到晶体结构呢？对于晶体结构的解析最有效的手段之一可能就是利用X射线单晶衍射仪了，但是X射线单晶衍射仪价格不菲，所以一般的学校也没有，可能有些材料人不是特别熟悉。所以小编今天就想说说X射线单晶衍射仪的基本构成及其在晶体结构解析过程中的应用。

【X射线单晶衍射仪的基本结构】

【晶体的安置要点】

1、将晶体用胶液粘在玻璃毛上；

图1 放置晶体的三种方式

2、将粘好的晶体放在测角头上，再装到测角仪的相应位置；

图2 测角头

3、将晶体的中心和衍射仪的中心调至重合。

【实验方法】

一束单色X射线射到一粒静止的单晶体上，入射线与晶粒内的各晶面族都有一定的交角θ，其中只有很少数的晶面能符合布拉格公式而发生衍射。如何才能使各晶面族都发生衍射呢?最常用的方法就是转动晶体。

1、回摆法

样品的转轴垂直于入射单色X射线，围绕转轴安装园筒状底片或在晶体后方，垂直于入射线安装平板底片。若晶体的某一晶轴(如a或b,c)与转轴平行，则在园筒状底片上会出现平行直线，平板底片则出现上下对称的双曲线。若让晶体在一个不大的角度范围(如10)内做摆动，则能产生的衍射数量不多，衍射点不会重叠。使摆动范围连续变动，一套完整的衍射数据需由一套(如几十张)摆动照片组成，其数量与晶体的对称性有关。

2、四圆衍射仪法

入射光和探测器在一个平面内(称赤道平面)，晶体位于入射光与探测器的轴线的交点，探测器可在此平面内绕交点旋转，因此只有那些法线在此平面内的晶面族才可能通过样品和探测器的旋转在适当位置发生衍射并被记录。

如何让那些法线不在赤道平面内的面族也会发生衍射并能被记录呢?办法让晶体作三维旋转，有可能将那些不在赤道平面内的晶面族法线转到赤道平面内，让其发生衍射，四圆衍射仪正是按此要求设计的。

图3 四圆衍射仪法示意图

【所测试晶体的要求】

1、品质好、完整的单晶体，不是孪晶；

2、晶体的尺寸一般不超过准直器的内径(常用的为0.5-0.6mm)，对于CCD，晶体合适的尺寸在：纯有机物0.3-0.7mm，金属有机配合物0.15-0.5mm，纯无机物0.1-0.3mm；

3、三个方向的尺寸尽可能的相近，否则对衍射吸收有差别，如果晶体太大，切割时要用凡士林；

4、一般的，球形优于立方体，优于针状，优于扁平形。

【测试基本原理】

1、根据布拉格方程，一个衍射对应于一个晶面族，以此面族的符号HKL作为此衍射之指数；

2、衍射强度和原子在晶胞中的坐标有关，根据衍射强度可以得出晶体结构。

【单晶衍射数据的分析步骤】

图4 单晶衍射数据的分析步骤

对于单晶衍射数据的分析可以得出：原子间的键长、键角、分子在晶体中的堆积方式、分子在晶体中的相互作用和氢键等信息。总之，根据单晶衍射数据可以分析出晶体的结构。

但是对于晶体结构的解析是个复杂的难题，需要综合很多晶体学、物理学、数学的知识，不是简单的几页纸就能阐述明白的，所以建议大家参考中山大学陈小明院士编著的《单晶结构分析原理与实践》。

本文由材料人编辑部学术组淡年华供稿，欧洲足球赛事 编辑整理。

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