Röntgendiffractie
Bron: Faisal Alamgir, School of Materials Science and Engineering, Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA
Röntgendiffractie (XRD) is een technie…
De volgende procedure is van toepassing op een specifiek XRD-instrument en de bijbehorende software, en er kunnen enkele variaties zijn wanneer andere instrumenten worden gebruikt.
- We zullen een Ni-poedermonster onderzoeken op een Panalytical Alpha-1 XRD-instrument.
- Kies eerst de masker om de stralingsgrootte vast te stellen volgens uw monsterdiameter. De straal mag niet groter zijn dan het monster bij de kleinste θ waarde (meestal ~ 70-100). Voor een monster met breedte ε, de straalgrootte moet zijn < ε sinθ.
- Laad het monster in de monsterspinfase en vergrendel het monster in positie. De monsterspin helpt om de blootstelling van het monster aan de röntgenbron ruimtelijk te randomiseren.
- Kies het hoekbereik voor uw XRD-scan. Bijvoorbeeld 15-90 graden is een typisch bereik.
- Kies een stapgrootte, d.w.z. het increment in 2θ, en integratie (telling) tijd. Over het algemeen is een stapgrootte van 0,05 graden en 4 seconden integratie de standaard voor een breedhoekscan.
- Zodra alle piekposities zijn bepaald door deze eerste scan, kunnen volgende scans zich concentreren op een smaller scanbereik rond specifieke pieken met een kleinere stapgrootte in hoek als hogere resolutie gegevens van die pieken gewenst zijn.
Röntgendiffractie is een techniek die wordt gebruikt om de atoom- en moleculaire structuur van materialen te bepalen. Stoffen hebben een kristallijne structuur, die overeenkomt met een microscopische rangschikking van atomen die periodiek wordt herhaald. Door vlakken te stapelen, kan een 3-D structuur met specifieke symmetrie worden gevormd.
Deze structurele arrangementen resulteren in een specifieke pakkingsgeometrie die de fysische en chemische eigenschappen van het materiaal bepaalt. Zoals magnetisatie, thermische geleidbaarheid of vervormbaarheid. Het reflecteren van röntgenstralen van materialen kan de innerlijke details van hun structuur onthullen.
Deze video zal de algemene principes van röntgendiffractie op een materiaal illustreren en hoe dit fenomeen in het laboratorium wordt gebruikt om de structuur en chemische samenstelling van materialen te bepalen.
Laten we om te beginnen een kristal bekijken. Het bestaat uit atoomroosters die periodiek gescheiden worden door een afstand dhkl van enkele angstroms in vlakken zijn gerangschikt. H, k, l zijn Miller-indexen, een set van drie gehele getallen die een notatiesysteem vormen voor het identificeren van richtingen en vlakken binnen kristallen. De kleinste herhalende structuur in een kristal wordt de eenheidscel genoemd. Verschillende hoeken, alfa, beta, gamma, en lengtes a, b, c, van een eenheidscel die het rooster vormt, geven aanleiding tot verschillende symmetrieën. Er zijn zeven kristalstelsels. Kubisch, tetragonaal, orthorhombisch, rhomobisch, monoklien, triklien en hexagonaal.
De relatie tussen de parameters van de eenheidscel en de Miller-indexen kan worden berekend voor elke kristalklasse. Elektromagnetische golven met golflengte lambda kunnen vergelijkbare afmetingen hebben met de verschillen tussen vlakken binnen het rooster van het kristal. Deze komen overeen met golflengten in het röntgenspectrumbereik. Wanneer röntgenlichtgolven een kristal onder een incidentiehoek theta bestralen, verspreiden ze zich door het kristal en komen ze roosterpunten tegen waarvan ze diffracteren. De wet van Bragg verbindt deze parameters waarbij n een geheel getal is dat de harmonische orde van de diffractie vertegenwoordigt. Voor een gegeven lambda geven alleen specifieke hoeken theta aanleiding tot diffractie. Dit is de unieke signatuur van een kristallijne structuur.
In een experiment wordt het monster geroteerd en de detector die de verstrooide röntgenstralen verzamelt, registreert pieken in intensiteit wanneer deze karakteristieke hoeken bereiken. Men kan dan de roosterafstand DHKL voor elke hoek extraheren die voldoet aan de wet van Bragg. Door gebruik te maken van meerdere diffractiepiekposities die overeenkomen met verschillende DHKL-waarden, kunnen de parameters van de eenheidscel uniek worden opgelost.
Twee hoofdfactoren dragen bij aan de relatieve intensiteit van de pieken. Ten eerste zijn er de niet-structurele bijdragen, die de capaciteit van het materiaal om röntgenlicht te absorberen omvatten, en de geometrie van het XRD-experiment. Deze kunnen in de nabewerking van de experimentele gegevens in aanmerking worden genomen. Ten tweede, en het belangrijkste, wordt de structurele bijdrage van het materiaal overgebracht naar de relatieve intensiteiten van XRD. Elke diffractiepiek is in feite de som van alle verstrooide amplitudes van meerdere straalpaden die worden gediffracteerd door alle unieke atomen in een eenheidscel. Als verstrooid licht in fase is, wordt er interferentie geconstrueerd. Terwijl als ze uit fase zijn, er vernietigde interferentie is. Deze interferenties hebben direct invloed op de amplitude van de XRD-pieken, die de HKL-vlakken van het kristal vertegenwoordigen.
We zullen nu zien hoe deze principes van toepassing zijn in een daadwerkelijke röntgendiffractie-experiment.
Voordat u begint, inspecteer zorgvuldig het XRD-instrument en beoordeel de status en veiligheid ervan. XRD-gebruikers moeten worden getraind in basisradiatieveiligheid voordat ze toegang krijgen tot het instrument. Ga vervolgens verder met de monstervoorbereiding. In dit experiment gebruiken we een nikkelpoedermonster in de vorm van een geperste pellet.
Het is belangrijk dat het monster niet dun is en dat het minstens drie keer dikker is dan de dempingslengte van de röntgenstralen. Merk op dat de volgende procedure van toepassing is op een specifiek XRD-instrument en de bijbehorende software en dat er enkele variaties kunnen zijn wanneer andere instrumenten worden gebruikt.
Laad het monster in de monsterdraaistand en vergrendel het monster in positie, zorg ervoor dat de bestraalde kant van het monster parallel is aan de monsterstand. Gebruik een masker om de stralingsgrootte van het instrument aan te passen aan de monsterdiameter. Bij de kleinste invalshoek moet de bundel een voetafdruk hebben die kleiner is dan de monsterbreedte.
Nu is het tijd om de acquisitieparameters te kiezen. Selecteer eerst het hoekbereik voor de XRD-scan. Meestal gaat het bereik van 15 tot 90 graden. Selecteer vervolgens de stapgrootte in graden evenals de integratietijd bij elke gescande hoek.
Ga vervolgens verder met de data-acquisitie. Na de scan wordt een grafiek verkregen van de intensiteit als functie van de hoek ten opzichte van theta. Uit deze initiële scan selecteert u specifieke pieken en bepaalt u de piekposities.
Herhaal de acquisitie en concentreer u deze keer op een smaller scanbereik rond specifieke pieken. Gebruik een kleinere stapgrootte in hoek om hogere resolutiegegevens te verkrijgen. Zodra de data-acquisitie is voltooid, kunnen de gegevens worden geanalyseerd om de structuur van het materiaal te identificeren.
Met behulp van de instrumentsoftware en databasebibliotheek wordt elke piek van het spectrum geïdentificeerd en geassocieerd met een specifieke symmetrie van kristalrangschikking. In dit specifieke geval van het nikkelpoedermonster, toont het spectrum een eerste piek die overeenkomt met een een-een-een symmetrie.
De tweede piek is geassocieerd met een twee-nul-nul symmetrie, enzovoort. Vervolgens bepaalt de software dat deze specifieke combinatie van symmetrieën overeenkomt met een kubisch centraal rooster en identificeert dat het monster een nikkelpoeder is.
Röntgendiffractie is een standaardmethode om de aanwezigheid of afwezigheid van kristallografische orde in materialen te bepalen. Het wordt vaak gebruikt om een verscheidenheid aan andere structurele informatie te verkrijgen met betrekking tot interne spanning en defecten in
Q1: What is Bragg's Law and how does it relate to X-ray diffraction?
Bragg's Law relates the wavelength of X-rays, the incident angle, and the lattice spacing of a crystal. When X-rays irradiate a crystal at a specific angle theta, they diffract only at angles satisfying Bragg's Law, where n is the harmonic order. This relationship creates a unique signature for each crystalline structure, allowing researchers to identify materials from their diffraction patterns.
Q2: How do Miller indices and unit cells describe crystal structure?
Miller indices are three integers that identify specific directions and planes within crystals. The unit cell is the smallest repeating structure in a crystal, defined by angles and lengths that determine its symmetry. Different unit cell parameters produce seven distinct crystal systems, including cubic, tetragonal, and hexagonal, each with unique structural properties.
Q3: What causes variations in X-ray diffraction peak intensities?
Peak intensities result from two factors: non-structural contributions like material absorption and experimental geometry, and structural contributions from the material itself. Each diffraction peak represents the sum of scattered amplitudes from all unique atoms in a unit cell. Constructive interference produces strong peaks, while destructive interference weakens them, directly reflecting the crystal's atomic arrangement.
Q4: How is sample preparation critical for X-ray diffraction experiments?
Samples must be sufficiently thick, at least three times the X-ray attenuation length, to ensure adequate diffraction signal. The irradiated sample surface must be parallel to the sample stage, and the X-ray beam footprint must remain smaller than the sample width at the smallest incident angle. Proper preparation ensures accurate data collection and reliable structural analysis.
Q5: What information can X-ray diffraction reveal about material structure?
X-ray diffraction determines atomic and molecular arrangements, identifies crystallographic phases, and reveals internal stress and crystal defects. The technique also measures how actual structures deviate from ideal arrangements. Beyond materials science, XRD is used in biology to determine protein and nucleic acid structures, and in geochemistry for mineral analysis and planetary exploration.
Q6: How does the data acquisition process work in X-ray diffraction?
The sample is rotated while a detector records scattered X-ray intensity at varying angles. An initial broad scan from 15 to 90 degrees identifies major peaks. Subsequent focused scans use smaller angle steps around specific peaks for higher resolution data. The resulting intensity versus angle graph reveals characteristic peaks that correspond to specific crystal symmetries and planes.
Q7: How does X-ray diffraction identify unknown materials?
Software compares observed diffraction peaks against database libraries, matching each peak to specific crystal symmetries. The combination of peak positions and intensities uniquely identifies the crystal structure type. For example, nickel powder shows peaks corresponding to face-centered cubic symmetry, allowing definitive material identification and phase composition analysis.