Malzeme Biliminde X ışınlarına Giriş

Xray diffraction (XRD) modern malzemelerdeki en yaygın kullanılan ve çok yönlü analitik tekniklerden biridir. Araştırmacıların XRD'nin atom ve moleküler yapısını olağanüstü hassasiyetle belirlemelerini sağlar. X-ray'ların bir örnekle nasıl yayıldığını analiz ederek, bilim adamların ayrıntılı olarak analiz edebilir, kristalleri ölçebilir, ince filmler inceler.

X-ray Diffraction'ın Tarihsel Gelişimi

X-ray diffraction'un keşfi, kristallerdeki atomların dalga doğasını kanıtlamıştır.Bir yıl sonra William Henry Bragg ve oğlu William Lawrence Bragg, XRD analizinin temel taşı olarak ortaya çıkan XRD analizini ortaya koydu.Bu nedenle, XRD hem de filme dayalı kameraların dalga doğasının kristalize edilmiş bir şekilde, doğrulanmış konumlu nanotronomiktörlerden ve gerçek bilgisayar destekli nanoparçaplar için tasarlanmış olan ve gerçek bilgisayar analizleri için önemli olan XRD analizlerini ortaya çıkardı.

X-ray Diffraction'un Temel Prensipleri

X-ışınları, atomların aralıklarında dalgalar ile elektromanyetik radyasyondur, normal, tekrar kristaller için uygun hale getirir (tipik olarak 0.1-0.5 nm). X-ray ışınlarına bir kristalin çarpması, atomların elektron bulutları ile etkileşime girer, elastik saçlar nedeniyle, atomlar normal bir şekilde ayarlanır, tekrarlanır, atomik pozisyonları müdahale eder ve atomik parametrelerin dahil olmak üzere, özellikle de kristalleri etkiler.

Bragg'in Yasası ve Diffraction Geometry

İronik müdahale şartı Bragg'in yasası tarafından verilir:

[FONT:0]2 d sin ⁇ = n ⁇

).

[FONT=0][Döneticileri, ► [FONT=0)[0) {0}[0|0|0|Döntgenmeler ve pdf)[Döneticileri, · 4 ))) Bu basit ilişki, her bir atomun neden kristalleri ilerleyici bir şekilde toplayarak, bir iki ışıkta ayrı bir dalga dalga dalga dalga geçiyor.

Kristal Lattice'den alıntı

Mükemmel bir kristalde, binlerce atom uçağı her yansımaya katkıda bulunur. Sonuç olarak, kristalin atomik düzenleme (yapı faktörü) ve örnek şeklinin (boyut ve su basıncı) neden her bir zirvenin büyüklüğüne bağlıdır.

XRD ölçümleri için ölçeklendirme

Modern XRD aletleri üç ana bileşenden oluşur: X-ray kaynağı, örnek bir aşama ve bir dektör. yapılandırma, tek kristal ve ince film analizi için basit toz diffractometrelerinden değişebilir.

X-ray Sources

Laboratuvar XRD sistemleri genellikle mühürlenmiş veya dönen X-ray kaynakları kullanır. Ortak bir hedef materyali bakır (Cu Kα radyasyonu, ⁇ = 1.5406 Å), ancak kobalt, molybdenum ve kromum kaynakları da belirli uygulamalar için kullanılır.Youhrotron tesisleri ultra-briliant, yüksek çözünürlüklü ve zamanlı deneyler etkinleştirilen X-ışınlı kirişler.

Optik ve Monochromators

Temiz, monokromatik bir kiriş elde etmek için, X-rays, monokkromatör (örneğin, Germanyium veya grafik kristalleri) veya multikatlı aynalar için kullanılır.Bu optikler istenmeyen dalgalar ve arka plan gürültüsünü azaltır.

Proleksiyonlar

Prodüksiyonlar fotoğraf filmlerinden ve scintillation karşıtları sağlam devlet dedektörleri ve pozisyona duyarlı dedektörleri (PSDs) gibi modern yarı iletken dedektörleri (SDD) veya hibrid piksel dizileri (PADs), yüksek oranda hesaplı ölçüm oranları, mükemmel enerji çözümü ve hızlı veri alımı için. Yüksek performanslı uygulamalar için, lineer veya alan dedektörleri saniyeler içinde tüm diffraction kalıpları toplayabilir.

Örnek Ortam

XRD ölçümleri, özel örnek aşamaları kullanarak çeşitli koşullar altında yapılabilir: yüksek sıcaklık fırınları, kriostatları, nem odaları ve gaz-reksiyon hücreleri.In situ XRD, araştırmacıların gerçek zamanlı dönüşümleri, kimyasal reaksiyonlar ve termal genişlemeleri incelemelerini sağlar. Örneğin, oda sıcaklığından 1500 °C'ye kadar bir seramik örneği ısıtmak, sintering sırasında orta aşamaların oluşumunu ortaya çıkarabilir.

Data Collection and Analysis

Toz Diffraction Desenleri

En yaygın XRD deneyi toz difraksiyondur, örnek olarak kristallitlerin rastgele yönelimini sağlamak için iyi bir toz haline gelir. Örnek düz bir plaka veya kapillary sahibine yerleştirilir ve istatistikleri artırmak için tarama sırasında döner.

  • [FONT:0)Peak tanımlaması:[Döneticileri top arama algoritmaları kullanarak zirve zirveler ve 2 ⁇ pozisyonları, intensities ve tam geniş yarı-maximum (FWHM).
  • [FONT:0)Phase tanımlaması:[D) Gözlemlenen zirve pozisyonları ve göreceli intens with reference pattern from databases like the Toz Diffraction File (PDF) tarafından yapılan ve International Centre for Diffraction Data (ICD) Software tarafından muhafaza edilen sürümler.DIFFRAC.EVA).
  • [FONT:0)Quantitative faz analizi:), Rietveld yöntemi veya Referans Intensity Oran (RIR) yöntemi, bir karışımdaki birden çok fazın ağırlığını belirlemek için.
  • [FONT=0)Mikrostructural analiz:[Dönetici:[Dönetici) kristalite boyutunu tahmin etmek için zirve genişletir ( Scherrer denklemi kullanarak) ve lattice sustur (WilliamsonHall arsalarını kullanarak).

Rietveld Refinement Method

Rietveld yöntemi, hesaplanmış bir difraksiyon profiline tüm ölçümlü modele uygun olan güçlü bir tekniktir.It is the Rietveld method is a strong Technique that sit a hesaplanmış diffraction profile to the entire ölçüm model.It is wide applied software in software like you.It?0s structural parameter (lattice Constants, atom pozisyonları, ccupancies, sıcaklık faktörleri) along with enstrüman parametreleri (zero değişim, arka plan, üst form).

Quantitative Analysis karşı Qualiteative

Qualitative XRD sadece hangi aşamaların mevcut olduğunu tanımlar. Örneğin, bir çimento kimya analizi birlitenin varlığını tespit edebilir (C3S), arıtılmış (C2S), ve ücretsiz lime. Quantitative analiz, her aşamadan ne kadarını belirlemek için daha da ileri gider. Bilinen aşamaların karışımı için RIR yöntemi ±1–2 wt%. Rietveld yöntemi daha sağlamdır.

XRD'nin Malzeme Bilimindeki Uygulamaları

XRD neredeyse her malzeme bilimi alanında temel bir tekniktir. Aşağıda en etkili uygulamaları tartışıyoruz.

Faz Tanımlama ve Polymorph Analizi

Birçok malzeme, titanyum dioksit (TiO2) gibi, birden çok polimorfta (anatase, rutile, brookite) vardır. Her polimorph farklı bir XRD modeline sahiptir, kolay bir şekilde farklı olarak farklı bir şekilde farklı olarak, farmasötikler, polimorfizm çözünürlük ve biyoyalog etkiler; XRD ilaç ürünlerinde rutin olarak kullanılır.

Lattice Parametrelerinin Belirlenmesi

Yüksek çözünürlük XRD (örneğin, iç standart kullanarak) lattice sabitlerini beş veya altı önemli figüre ölçebilir. Bu, sağlam çözümler, doping etkileri ve termal genişleme için kritiktir. Örneğin, lityum-ion batarya kedihode malzemeler, lattice parametrelerinde değişiklikler.

Kristallite Boyut ve Mikrostrain Analizi

XRD tepelerinin genişleştirilmesi küçük kristalite büyüklüğünden (daha düşük ⁇ 100 nm) ve lattice mikrostrain. Scherrer denklemi kristalize boyuta ([DDD:0D[DD)[D[D)[D[D)) ile ilgili olarak kullanılır (D[D[D)) ve lattice mikrostrain) ile ilgili olarak, K ⁇ / ( ⁇ 0.9). Bu, nanoteknolojide nanoparçacıkları karakterize etmek için yaygın olarak kullanılır.

Residual Stres Ölçümü

Malzemelerin yer üst pozisyonları (sin2 ⁇ yöntemi) değiştirip XRD kullanılarak ölçülebilir.Bir polikristal örnek için, lattice suspaklama farklı eğim açılarında değişiklikten hesaplanır.Bu teknik kaynak yapıları, havacılık bileşenleri ve mikroelektronik cihazlar için kalite kontrolü için önemlidir.

Texture ve Tercih Edilen Ortasyon

Texture, kristalografik yönelimlerin polikristalli bir örnekle dağılımını ifade eder. kutup figürlerini ölçerek (örneğin, örnek yönelimin işlevi olarak belirli bir yansımanın bir işlevi olarak), biri, mekanik özellikleri anisotropy anlamak için önemlidir, çizilen metaller, çizilen teller ve ince filmler.

İnce Film Analizi

Gratingincidence XRD (GI-X-RD) X-ray penetrasyonunu üst yüzeye sınırlandırmak için sığ bir acıklı acıklı bir açı kullanır (1-100 nm). Bu, ince filmlerin, kaplamaların ve yüzey tabakalarının incelenmesini sağlar. Uygulamalar epit aksiyel tabakalardan, oksit ölçeklerini ve organik filmlerin karakterleştirilmesini içerir.

Situ ve Operando Studies

Modern diffractometreler sentez, ısı tedavisi veya kimyasal reaksiyonlar sırasında yapısal değişiklikler takip edebilir. örnekler şunlardır:

  • Aktif aşamalar oluşturmak için katalizör öncülüğün uygunluğunun ardından.
  • Şekil altında faz geçişlerini izleyin.
  • Doluyumun şarj / parçalanma sırasında batarya elektrotlarına karşı korunması.

Bu tür deneyler, eski situ ölçümlerinden elde etmek için imkansız olan mekaniksel öngörüler sağlar.

Gelişmiş XRD Teknikleri

Küçük BirAngle X-ray Scattering (SAXS)

Geleneksel XRD atomik ölçekli sipariş (0.1-10 nm), SAXS nanopartiküller, gözenekler ve makromoleküller gibi daha büyük yapılar (1-100 nm) çalışır. XRD geniş kesim için tamamlayıcıdır ve genellikle polimer bilimi, colloid kimya ve biyolojide kullanılır.

Yüksek Çözünürlük XRD (HRXRD)

HRXRD, epit aksiyel tabakaları, süperlattikleri ve kuantum kuyularını analiz etmek için son derece monokromatik, paralel kirişler ve çoklu kristal optik optik optikleri kullanır.

X-ray Reflectivity (XR)

XRR, X-ray yoğunluğunu bir açı işlevi olarak yansıttığı bir spekülatif tekniktir.Performasyon, yoğunluk ve ince filmlerin kabalığı ve çok katmanlılar hakkında bilgi sağlar. GI-XRD ile bir araya geldiğinde, tam bir film yapısı sunar.

Enerjide XRD (EDXRD)

Tarama açısı yerine, EDXRD bir beyaz (polichromatic) X-ray kirişi ve enerji duyarlı bir dedektörleri kullanır. Bu yöntem sabit bir açıda hızlı ölçüm sağlar ve senkronizasyon çalışmaları veya zaman çözmede çözümleyici deneyler için kullanışlıdır.

Sınırlar ve Caveats

Onun gücüne rağmen, XRD'nin sınırlamaları vardır:

  • [FONT:0) Sadece kristal aşamalar tespit edilir.[[Dönetici: 1) Amorphous malzemeler geniş, diffiyonlu saçlar (an “amorphous halo”) ama keskin bir zirveler; morfous içeriklerin niceleştirilmesi dikkatli bir şekilde uygun veya standart ekleme gerektirir.
  • [FONT:0)Peak çakışması[[Dönetici:0) karmaşık karışımlarda meydana gelebilir, faz özdeşliği belirsiz hale getirir. Rietveld rafineri yardımcı olur, ancak bazı kombinasyonlar doğal olarak zor.
  • [FONT:0)Sample hazırlama konuları[Dönlendirme, tercih edilen yönelim veya yüzeysel psiyonlar ve üst şekillerin kırılması.
  • [FONT=0)Deteksiyon sınırları[Dönetici: 1-5 s% ( kristalinlik ve absorpsiyona bağlı olarak), ancak senkronizasyon % 0.1'ye kadar azaltılabilir.
  • [FONT:0)Depth of penetrasyon[[DÜDÜT:1) Birkaç mikrometreden (düşük, ağır elementler) yüzlerce mikrometreye (yüksek kesim, ışık elementleri) ihtiyaç duyar.

Future Yol ve Gelişen Trendler

XRD alanı, mikro- ve nano odaklı X-ray kirişleri senkronizasyon aşamasında ve indeksleme ile örneklemelere izin veriyor (X-ray difraksiyon görüntüleme) Laboratuar araçları şimdi hızlı, 2D dedektörler, XRD'nin gerçek zamanlı çalışmaları için haritalama işlemlerine uygulanıyor.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Xray difraksiyon, kristal malzemelerin karakterizasyonu için temel, tahrip edici bir araç olarak kalır. Atomik ölçekli yapısını ortaya çıkarmak - karmaşık Rietveld rafinerisi için basit bir aşamadan - hem akademik araştırma hem de endüstriyel kalite kontrolü için vazgeçilmez hale getirir.

Okuyucular daha fazla ayrıntıyla ilgileniyorlar, aşağıdaki kaynaklar mükemmel bir rehberlik sağlar: [FOD (Uluslararası Diffraction Data)) en büyük toz difraksiyon veritabanına ilişkin öğreticiler sağlar; [[Dönetici:2Uluslararası Kristalografi Birliği (IUCr)).