יסודות Xrd: איך זה עובד ויישומים שלה במדעי החומר

הקדמה ל X-ray Diffraction in Materials

דיפרקציה רנטגן (XRD) היא אחת הטכניקות האנליטיות הנפוצות ביותר ותכליתיות במדע החומרים המודרניים. היא מאפשרת לחוקרים לקבוע את המבנה האטומי והמולקולארי של חומרי גביש עם דיוק יוצא דופן. על ידי ניתוח כיצד צילומי רנטגן מתפזרים מדגם, מדענים יכולים לזהות שלבים, למדוד את גודל גבישי, להעריך מתח חיוורי, לאפיין סרטים דקים.

התפתחות היסטורית של X-ray Diffraction

התגלית של דיפרקציה רנטגן חוזרת ל-1912, כאשר מקס פון לאו ועמיתיו הפגינו כי חומרים גבישיים יכולים לפעול כ diffraction תלת-ממדית ההולכת לקרינת X. הניסוי פורץ דרך זה הוכיח את טבע הגל של צילומי רנטגן ואת ההסדר המחזורי של אטומים בקריסטלים. שנה לאחר מכן, ויליאם הנרי בראג ובנו ויליאם לורנס בראג'ס, שהפך את ה-Ragology המפורסם, לאחר מכן, לאחר מכן, למצלמות של XD-D, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, למצלמות מתקדמות, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, ממצלמות של המצלמות של חומרתיקים, ממצלמות של חומרתיקים, מ-D.

עקרונות יסוד של X-ray Diffraction

צילומי רנטגן הם קרינה אלקטרומגנטית עם אורכי גל בטווח של 0.01-10 nm, מה שהופך אותם מתאימים ל probing מרחקים בין-אטומיים גבישים (בדרך כלל 0.1-0.5 nm) כאשר קרן רנטגן מכה דגימת מידע גבישי, זה אינטראקציה עם עננים אלקטרונים של אטומים, גרימת פיזור.

חוק בראג ודיפרון גאומטריה

התנאי להתערבות קונסטרוקטיבית ניתן על ידי חוק בראג:

(ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

(ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

מתוך Crystal Lattice

בתוך גביש מושלם, אלפי מטוסים אטומיים תורמים לכל השתקפות.תבנית הניתוק המתקבלת היא מהפכת הסדר האטומי של קריסטל (גורם מבנה) ואת הצורה של הדגימה (גודל ואפקטים זנים) עוצמתו של כל שיא הוא פרופורציה לכיכר של גורם המבנה amplitude, אשר תלוי בעמדות ובסוגים של אטומים בתוך התא.זה מסביר מדוע שלבים שונים יש רמות ייחודיות לתבניות "טביעה" (the-" כדי לזהות "טביעה" (the-") יש טביעות" דפוסים ייחודי.

המונחים: XRD Measurements

מכשירים מודרניים XRD מורכבים משלושה מרכיבים עיקריים: מקור רנטגן, שלב מדגם, גלאי.התצורה יכולה להשתנות מ diffractometers אבקת פשוטה ומערכות לפתרון גבוה לניתוח חד-קריסטל ודפל-סרט.

מקורות רנטגן

מערכות מעבדה XRD בדרך כלל להשתמש ב- YouTube או פשוטו כמשמעות מקורות רנטגן. חומר מטרה משותף הוא נחושת (קרינת Cα, λ=1.5406 ⁇ ), אבל cobalt, molybdenum, ומקורות כרום משמשים גם עבור יישומים ספציפיים.Schrotron מתקני לספק אולטרה-brilliant, טונה X-rayams כי מאפשר פתרונות גבוהים ו-time-resol-resol-p-R-p-p-p-p-ניתוח של חומר.

אופטיקה ומונוכרומטורים

כדי להשיג קרן נקייה, מונוכרומטית, צילומי רנטגן עוברים דרך מונוכרמורטורים (למשל, גרמניה או גבישים גרפיטי) או מראות רב-שכבות.אופטיקה אלה מסירים אורכי גל לא רצויים ולהפחית רעש רקע.באבק diffraction, גיאומטריה שונה עם סולר משמש בדרך כלל כדי לשלוט בסתה עבור ניתוח מקבילה, הם מקבילה.

Detectors

Detectors התפתחו מסרט צילום ודלפקים scintillation נגד גלאי מדינה מוצק וגלאים רגישים מיקום (PSDs) גלאי Semiconductor מודרניים, כגון גלאי סיליקון (SDDs) או גלאי פיקסל היברידיים (PADs), מציעים שיעורי ספירה גבוהים, רזולוציית אנרגיה מעולה, ורכישה מהירה של נתונים.

דוגמאות סביבה

מדידות XRD יכולות להתבצע בתנאים שונים באמצעות שלבים מדגם מותאם אישית: גידולים עתיריים, Cryostats, לחות תאים, תאים תגובת גז. in situ XRD מאפשר לחוקרים ללמוד שינויים בשלב, תגובות כימיות, והתרחבות תרמית בזמן אמת. לדוגמה, חימום מדגם קרמיקה מטמפרטורת החדר ל 1500 מעלות צלזיוס בעוד סריקה יכולה לחשוף את היווצרות של שלבים ביניים במהלך החטא.

איסוף נתונים וניתוח

אבקת Diffraction Patterns

הניסוי הנפוץ ביותר XRD הוא אבקת diffraction, שבו הדגימה היא באדמה דק כדי להבטיח אוריינטציה אקראית של קריסטלים.הדגם ממוקם צלחת שטוחה או מחזיק capillary ומסתובב במהלך הסריקה כדי לשפר את ספירת הסטטיסטיקה.התבנית המתקבלת היא מזימה של אינטנסיביות מעודפת לעומת 2 זווית ⁇ .

• (ב) ⁇ :0) ⁇ : ⁇ 1 (הההבא) ב-[[1924]], ב[[1924]], [[1924]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]]
• (ב) [13] ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
• (FLT:0) ניתוח שלב הוראתי: FLT:1 השתמש בשיטה Rietveld או שיטת הנטייה של Ratio (RIR) כדי לקבוע את שברירי המשקל של שלבים מרובים בתערובת.
• (FLT:0Microstructural Analysis: FLT:1hil Measures הרחבה כדי להעריך את גודל קריסטל (באמצעות משוואה Scherr) ו- lattice זנים (באמצעות מזימה של ויליאםסון-החאל).

שיטת הסירוב הריקה

[השיטה הרכה] היא טכניקה רבת עוצמה שמתאימה לפרופיל של טיהור מחושב לכל התבנית המדוייקת.הוא מעדן פרמטרים מבניים (קבועי טיס, עמדות אטומיות, דיקור, גורמי טמפרטורה) יחד עם פרמטרים של מכשירים (שינוי אפס, רקע, צורה שיא) שיטה זו חיונית לנחישות מדויקת ומיושמת באופן נרחב בתוכנה כמו FLT:0GSFevolver, 1FIRST, 3, 3FRE, 3, 3, 3, 3FRE:2FRE: 4FRE:

ניתוח Qualitative לעומת Quantitative Analysis

Qualitative XRD פשוט מזהה אילו שלבים הם נוכחים.לדוגמה, ניתוח כימיה מלט יכול לזהות נוכחות של אליטות (C3S), belite (C2S), ו-S חינם. Quantitative ניתוח הולך קדימה כדי לקבוע כמה מכל שלב הוא נוכח. עבור תערובת של שלבים ידועים, שיטת RIR יכולה להשיג ccuras של ±1-2t% .

יישומים של XRD במדעי החומרים

XRD היא טכניקת אבן הפינה בכל תחום של מדעי החומרים.למטה אנו דנים ביישומים המשפיעים ביותר.

שלב Identification ו- Polymorph Analysis

חומרים רבים, כגון דו תחמוצת טיטניום (TiO2), קיימים בפולימורפים מרובים (אנאטאז, rutile, brookite) כל פולימורפ יש דפוס XRD ייחודי, המאפשר הבחנה קלה.בתרופות, פולימורפיזם משפיע על solubility וזמינות ביולוגית; XRD משמש באופן שגרתי כדי להבטיח כי פולימורפ הנכון הוא נוכח מוצרים.

המונחים: Lattice Parameters

גבוה טרום-חשיבות XRD (למשל, באמצעות תקן פנימי) יכול למדוד קבועים ל- lattice לחמישה או שישה דמויות משמעותיות.זה קריטי עבור לימוד פתרונות מוצקים, אפקטים של מינון, והתרחבות תרמית. לדוגמה, בחומרי סוללות ליתיום-יון, שינויים בפרמטרים של ליטיצ'ה במהלך רכיבה על אופניים מצביעים על השפלה מבנית.

Crystallite Size ו- Microstrain Analysis

הרחבת שיאי XRD עולה מגודל גבישי קטן (נמוך ⁇ 100 nm) ו- lattice microstrain. משוואה Scherrer מתייחסת להגדלת גודל גבישי (β) לגודל גבישי (FLT:0DigtureFLT: FLT:1): FLT:2DFLT 3: 3=Kλ / β), שבו K הוא גורם צורה (0Digital) או שיטות מתקדמות ל-HQ=DHADERDLCDERDERDERDR.

מדד מתחים חמורים

הדגשים הסובסידיים בחומרים משמרות את עמדות השיא (שיטה ⁇ ) וניתן למדוד באמצעות XRD.עבור מדגם פוליקריסטלליין, הזן הנקה הוא מלוכד מהשינוי בתקופות הטיה שונות.טכניקה זו חיונית לשליטה איכותית במבנים משועבדים, רכיבי חלל, ומכשירים מיקרו-אלקטרוניקה.

המונחים: pupation

טקסט מתייחס להתפלגות של אוריינטציה גבישית בדגימה פוליקלרית.על ידי מדידת דמויות קוטב (רגישות של השתקפות מסוימת כתפקוד של אוריינטציה מדגם), ניתן לקבוע את הכוח והסוג של מרקם.זה חשוב להבנת תכונות מכניות anisotropy מתכות מגולמות, חוטים נמשכים, וסרטים דקים.

ניתוח סרטים

Grazing-incidence XRD (GI-XRD) משתמש זווית שכיחות רדודה כדי להגביל את חדירה רנטגן אל פני השטח העליון (1–100 nm) זה מאפשר מחקר של סרטים דקים, ציפויים, ושכבות משטח ללא הפרעה של תת-החלודות. יישומים כוללים אפית שכבות אפיטקסיות, קשקשים, וסרטים פוטו-וולטאיים אורגניים.

לימודי סלולר ו-Oolndo

מדקלאקטים מודרניים יכולים לעקוב אחר שינויים מבניים במהלך הסינתזה, טיפול בחום, או תגובות כימיות.

• לאחר calcination של מבשר זרז כדי ליצור שלבים פעילים.
• ניטור של מעברי שלב בסגסוגת בצורת-זיכרון תחת עומס.
• שמירה על ההיקף של ליתיום לאלקטרודות סוללות במהלך הטעינה / דיסיעה.

ניסויים כאלה מספקים תובנות מכניות שאינן אפשריות לקבל ממדדות ישיבה לשעבר.

טכניקות XRD מתקדמות

ההרחבה Small-Angle X-ray Scattering (SAXS)

בעוד ש- XRD קונבנציונאלי חוקר סדר בקנה מידה אטומי (0.1-10 nm), SAXS חוקר מבנים גדולים יותר (1–100 nm) כגון חלקיקים, נקבוביות, ומאקרו-מולקולטים בפתרון.זה משלים ל- סבך XRD רחב ולעיתים קרובות בשימוש במדע פולימר, כימיה קולאידית וביולוגיה.

רזולוציה גבוהה XRD (HRXRD)

HRXRD משתמשת במונוכרומטיות, בקתות מקבילים ובאופטיקה מרובות-קריסטל לנתח שכבות אפיטקסיות, סופרלטיטים, ובארות קוונטיות.זה יכול למדוד אי התאמה, שכבה, וקומפוזיציה במבנה מוליכים למחצה עם דיוק אטומי.

X-ray Reflectivity (XRR)

XRR הוא טכניקה ספקית שמצעדת שמשתקף את עוצמת רנטגן כתפקוד של זווית.זה מספק מידע על עובי, צפיפות, וחוספס של סרטים דקים ורבירידים.כאשר בשילוב עם GI-XRD, הוא נותן תמונה מלאה של מבנה הסרט.

אנרגיה - XRD (EDXRD)

במקום לסרוק זווית, EDXRD משתמשת לבן (polychromatic) X-ray beam וגלאי רגיש באנרגיה. שיטה זו מאפשרת מדידה מהירה בזווית קבועה והוא שימושי למחקרים בלחץ גבוה או ניסויים עתירי זמן בסינכרון.

הגבלות ומערת

למרות כוחו, ל-XRD יש מגבלות:

• (ב) ניתן לזהות רק שלבים גבישיים (FeloLT:1 ; ⁇ ) חומרים אמורפיים מייצרים פיזור רחב, דיפרזה (הילה האמפורה) אך לא פסגות חדות; קוונטיות של תוכן אמורפי דורש תוספת זהירה או סטנדרטית.
• (ב) ⁇ 0 (ה) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
• (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
• (FLT:0) הגבלת ההגבלות של תפוצה 1 עבור שלבים קטנים הם בדרך כלל סביב 1-5 wt% (בהתאם גבישי וקליטה), אם כי קרינה מסנכרונכרונית יכולה להוריד את זה ל-0.1%.
• (FLT:0) ,Depth של חדירה של 1:1 טווח ממספר מיקרומטרים (שכבות נמוכות, אלמנטים כבדים) למאות מיקרומטרים (מורכבים, אלמנטים קלים).

כיוונים עתידיים ומגמות מתפתחות

תחום XRD ממשיך להתפתח.מיקרו- וננו ממוקד X-ray beams בסינכרון מאפשר מיפוי של וריאציות מבניות על פני מדגם עם החלטה תת-מיקרונית (X-ray diffraction הדמיה) מכשירים מעבדה עכשיו לשלב במהירות, 2D גלאיות עבור מחקרים בזמן אמת-זמן מכונה מוחלים זיהוי שלב אוטומטי ואינדקסים.

מסקנה

דיפרקציה רנטגן היא כלי חיוני, לא הרסני עבור האופי של חומרים גבישיים.היכולת שלה לחשוף מבנה בקנה מידה אטומי - מזיהוי שלב פשוט ועד לזיקוק מורכבים Rietveld - הופך אותו הכרחי הן במחקר אקדמי והן בקרת איכות תעשייתית.כפי שמכשיר הופך מהיר יותר, רגיש יותר, ואוטומטי יותר, XRD ימשיך להעמיק את ההבנה שלנו של חומרים והובלת חדשנות באלקטרוניקה, אלקטרוניקה, , , מתודולוגיה, , , טקטיקות, , , , , אלקטרוניקה, , , , אלקטרוניקה, , , , , אלקטרוניקה, , , ⁇ , , , ⁇ , , , , , , , , , , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ , ⁇ ⁇ , , ⁇ , , ⁇ , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

(ב) לקוראים המעוניינים בפרטים נוספים, המשאבים הבאים מספקים הדרכה מצוינת: ה-FLT:0 (המרכז הבינלאומי לדפלרציה) ⁇ FLT:1 שומר על מסד הנתונים הגדול ביותר של אבקה; ה-FLT:2 האיחוד הבינלאומי של קריסטלוגרפיה (IUCr) מציע מאמרים חינוכיים; ו-F:4Claststa Onlinellography FOVA:2 Union of Crystallographs:5s.