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Die Röntgenbeugung ist eine Technik zur Bestimmung der atomaren und molekularen Struktur von Materialien. Festkörper haben eine kristalline Struktur, die einer mikroskopischen Anordnung von Atomen entspricht, die sich periodisch wiederholt. Durch das Abstecken von Ebenen kann eine 3-D-Struktur mit spezifischer Symmetrie gebildet werden.
Diese strukturellen Anordnungen führen zu einer spezifischen Packungsgeometrie, die die physikalischen und chemischen Eigenschaften des Materials vorgibt. Wie Magnetisierung, Wärmeleitfähigkeit oder Formbarkeit. Die Reflexion von Röntgenstrahlen an Materialien kann die inneren Details ihrer Struktur offenbaren.
In diesem Video werden die allgemeinen Prinzipien der Röntgenbeugung an einem Material veranschaulicht und wie dieses Phänomen im Labor genutzt wird, um die Struktur und chemische Zusammensetzung von Materialien zu bestimmen.
Schauen wir uns zunächst einen Kristall genauer an. Es besteht aus Atomgittern, die in Ebenen angeordnet sind, die periodisch durch einen Abstand von dhkl von einigen Ångström getrennt sind. H, k, l sind Miller-Indizes, ein Satz von drei ganzen Zahlen, die ein Notationssystem zur Identifizierung von Richtungen und Ebenen innerhalb von Kristallen bilden. Die kleinste sich wiederholende Struktur in einem Kristall wird als Elementarzelle bezeichnet. Unterschiedliche Winkel, alpha, beta, gamma und die Längen a, b, c, einer Elementarzelle, die das Gitter bildet, führen zu unterschiedlichen Symmetrien. Es gibt sieben Kristallsysteme. Kubisch, tetragonal, orthorhombisch, rhomboedrisch, monoklistisch, triklin und hexagonal.
Die Beziehung zwischen den Elementarzellenparametern und den Miller-Indizes kann für jede Kristallklasse berechnet werden. Elektromagnetisch mit der Wellenlänge Lambda kann ähnliche Abmessungen mit den Unterschieden zwischen den Ebenen innerhalb des Gitters des Kristalls haben. Diese entsprechen Wellenlängen im Röntgenspektralbereich. Wenn Röntgenlichtwellen einen Kristall mit einem Einfallswinkel Theta bestrahlen, breiten sie sich durch den Kristall aus und treffen auf Gitterpunkte, von denen aus sie abbrechen. Das Braggsche Gesetz bezieht sich auf diese Parameter, wobei n eine ganze Zahl ist, die die harmonische Ordnung der Beugung darstellt. Für ein gegebenes Lambda führen nur bestimmte Winkel Theta zur Beugung. Dies ist die einzigartige Signatur einer kristallinen Struktur.
In einem Experiment wird die Probe gedreht und der Detektor, der die gestreute Röntgenstrahlung sammelt, zeichnet Intensitätsspitzen auf, wenn diese charakteristischen Winkel erreicht werden. Man kann dann den Gitterabstand DHKL für jeden Winkel extrahieren, der dem Braggschen Gesetz entspricht. Unter Verwendung mehrerer gebeugter Peakpositionen, die mehreren unterschiedlichen DHKL-Werten entsprechen, können die Parameter der Elementarzelle eindeutig gelöst werden.
Zwei Hauptfaktoren tragen zur relativen Intensität der Spitzen bei. Erstens gibt es die nicht-strukturellen Beiträge, zu denen die Fähigkeit des Materials, Röntgenlicht zu absorbieren, und die Geometrie des XRD-Experiments gehören. Diese können bei der Nachbearbeitung der experimentellen Daten berücksichtigt werden. Zweitens, und das ist am wichtigsten, wird der strukturelle Beitrag des Materials auf die relativen Intensitäten der XRD übertragen. Jeder Beugungspeak ist in der Tat die Summe aller gestreuten Amplituden aus mehreren Strahlengängen, die von allen einzigartigen Atomen in einer Einheitszelle gebeugt werden. Sind Streulichter phasengleich, liegt eine konstruierte Interferenz vor. Wenn sie phasenverschoben sind, kommt es zu zerstörten Interferenzen. Diese Interferenzen wirken sich direkt auf die Amplitude der XRD-Peaks aus, die die HKL-Ebenen des Kristalls darstellen.
Wir werden nun sehen, wie diese Prinzipien in einem tatsächlichen Röntgenbeugungsexperiment angewendet werden.
Bevor Sie beginnen, sollten Sie das XRD-Instrument sorgfältig inspizieren und seinen Status und seine Sicherheit beurteilen. XRD-Anwender müssen in grundlegender Strahlensicherheit geschult werden, bevor sie Zugang zu dem Gerät erhalten. Fahren Sie dann mit der Probenvorbereitung fort. In diesem Experiment verwenden wir eine Nickelpulverprobe in Form eines gepressten Pellets.
Es ist wichtig, dass die Probe nicht dünn ist und mindestens dreimal dicker ist als die Abschwächungslänge der Röntgenstrahlen. Beachten Sie, dass das folgende Verfahren für ein bestimmtes XRD-Gerät und die zugehörige Software gilt und dass es bei der Verwendung anderer Geräte zu Abweichungen kommen kann.
Legen Sie die Probe in den Probenspinnertisch und verriegeln Sie die Probe, wobei Sie darauf achten sollten, dass die bestrahlte Seite der Probe parallel zum Probentisch verläuft. Verwenden Sie eine Maske, um die Röntgenstrahlgröße des Instruments entsprechend dem Probendurchmesser anzupassen. Beim kleinsten Einfallswinkel muss der Balken eine Grundfläche haben, die kleiner als die Probenbreite ist.
Jetzt ist es an der Zeit, die Erfassungsparameter auszuwählen. Wählen Sie zunächst den Winkelbereich für den XRD-Scan aus. Typischerweise reicht der Bereich von 15 bis 90 Grad. Wählen Sie dann die Schrittweite sowie die Integrationszeit für jeden gescannten Winkel aus.
Fahren Sie anschließend mit der Datenerfassung fort. Nach dem Scan wird ein Diagramm der Intensität in Abhängigkeit vom Winkel zum Theta erstellt. Wählen Sie bei diesem ersten Scan bestimmte Peaks aus und bestimmen Sie die Peakpositionen.
Wiederholen Sie die Erfassung und konzentrieren Sie sich diesmal auf einen schmaleren Scanbereich um bestimmte Peaks. Verwenden Sie eine kleinere Schrittweite im Winkel, um Daten mit höherer Auflösung zu erhalten. Sobald die Datenerfassung abgeschlossen ist, können die Daten analysiert werden, um die Struktur des Materials zu identifizieren.
Mit Hilfe der Gerätesoftware und der Datenbankbibliothek wird jeder Peak des Spektrums identifiziert und mit einer spezifischen Symmetrie der Kristallanordnung verknüpft. In diesem speziellen Fall der Nickelpulverprobe zeigt das Spektrum einen ersten Peak, der einer Eins-Eins-Symmetrie entspricht.
Der zweite Peak ist mit einer Zwei-Null-Null-Symmetrie verbunden und so weiter. Dann stellt die Software fest, dass diese spezifische Kombination von Symmetrien einer flächenzentrierten kubischen Struktur entspricht, und sie erkennt, dass es sich bei der Probe um ein Nickelpulver handelt.
Die Röntgenbeugung ist eine Standardmethode zur Bestimmung des Vorhandenseins oder Fehlens kristallographischer Ordnung in Materialien. Es wird häufig verwendet, um eine Vielzahl anderer struktureller Informationen über innere Spannungen und Defekte in einem Kristall oder mehrere kristallographische Phasen in Verbundwerkstoffen zu erhalten. Die XRD-Technik wird auch in der Biologie eingesetzt, um die Struktur und räumliche Orientierung von biologischen Makromolekülen wie Proteinen und Nukleinsäuren zu bestimmen.
Auf diese Weise wurde insbesondere die Doppelhelix-Struktur der DNA entdeckt, was 1962 zum Nobelpreis für Physiologie oder Medizin führte. Bei der Erforschung der Geochemie von Mineralien, sei es für den Bergbau oder sogar für die Planetenerkundung, wird ebenfalls die XRD-Technik verwendet. Denken Sie an den Rover Curiosity auf dem Mars, der unter seinen zehn wissenschaftlichen Instrumenten einen XRD-Detektor hat, um die Zusammensetzung des Marsbodens zu analysieren.
Sie haben gerade Jupiters Einführung in die Röntgenbeugung gesehen. Sie sollten nun die kristalline Struktur eines Festkörpers und die Prinzipien der Röntgenbeugung verstehen. Sie sollten auch wissen, wie die XRD-Technik im Labor angewendet wird, um die Struktur und chemische Zusammensetzung von Materialien zu erhalten.
Danke fürs Zuschauen!
