Дифракция рентгеновских лучей
Источник: Фейсал Аламгир, Школа материаловедения и инженерии, Технологический институт Джорджии, Атланта, Джорджия
Рентгеновская дифракция (XRD) — это…
Следующая процедура применима к конкретному рентгеновскому дифрактометру и связанному с ним программному обеспечению, и при использовании других приборов могут быть некоторые вариации.
- Мы исследуем образец порошка никеля на Panalytical Alpha-1 XRD-приборе.
- Во-первых, выберите маску, чтобы зафиксировать размер луча в соответствии с диаметром образца. Луч не должен занимать площадь, превышающую площадь образца при наименьшем значении θ (обычно ~ 70-100). Для образца ширины ε размер луча должен быть < ε sinθ.
- Загрузите образец в столик для вращения образцов и зафиксируйте образец в нужном положении. Спиннер для образцов помогает пространственно рандомизировать воздействие образца на источник рентгеновского излучения.
- Выберите диапазон углов для сканирования XRD. Например, 15-90 градусов – это типичный диапазон.
- Выберите размер шага, т.е. шаг в 2θ, и время интегрирования (подсчета). Как правило, размер шага 0,05 градуса и интегрирование в 4 секунды являются стандартными для широкоугольного сканирования.
- После того, как все положения пиков будут определены с помощью этого первоначального сканирования, последующие сканирования могут быть сосредоточены на более узком диапазоне сканирования вокруг конкретных пиков, используя меньший размер шага по углу, если требуются данные с более высоким разрешением от этих пиков.
Рентгеновская дифракция — это метод, используемый для определения атомной и молекулярной структуры материалов. Твердые тела имеют кристаллическую структуру, которая соответствует микроскопическому расположению атомов, которое периодически повторяется. Путем разбивки плоскостей можно сформировать трехмерную структуру определенной симметрии.
Такое структурное расположение приводит к определенной геометрии упаковки, которая определяет физические и химические свойства материала. Например, намагниченность, теплопроводность или ковкость. Отражение рентгеновских лучей от материалов может выявить внутренние детали их структуры.
Это видео проиллюстрирует общие принципы рентгеновской дифракции на материале и то, как это явление используется в лаборатории для определения структуры и химического состава материалов.
Для начала давайте поближе познакомимся с кристаллом. Он образован из атомных решеток, расположенных в плоскостях, периодически разделенных расстоянием в несколько ангстремов. H, k, l — индексы Миллера, набор из трех целых чисел, составляющих систему обозначений для идентификации направлений и плоскостей внутри кристаллов. Самая маленькая повторяющаяся структура в кристалле называется элементарной ячейкой. Различные углы, альфа, бета, гамма и длины a, b, c, элементарной ячейки, образующей решетку, приведут к различным симметриям. Существует семь кристаллических систем. Кубический, тетрагональный, орторомбический, ромбоэдрический, моноклинный, триклинный и гексагональный.
Связь между параметрами элементарной ячейки и индексами Миллера может быть рассчитана для каждого класса кристаллов. Электромагнитные лямбда длины волны могут иметь схожие размеры с разницей между плоскостями внутри решетки кристалла. Они соответствуют длинам волн в рентгеновском спектральном диапазоне. Когда рентгеновские световые волны облучают кристалл под углом падения тета, они распространяются через кристалл и сталкиваются с точками решетки, от которых они отслаиваются. Закон Брэгга связывает эти параметры, где n — целое число, представляющее гармонический порядок дифракции. Для данной лямбды только определенные углы тета приводят к дифракции. Это уникальная подпись кристаллической структуры.
В эксперименте образец поворачивается, и детектор, собирающий рассеянные рентгеновские лучи, фиксирует пики интенсивности при достижении этих характерных углов. Затем можно извлечь расстояние между решетками DHKL для каждого угла, удовлетворяющего закону Брэгга. Используя несколько дифрагированных положений пиков, соответствующих нескольким различным значениям DHKL, параметры элементарной ячейки могут быть решены однозначно.
Два основных фактора влияют на относительную интенсивность пиков. Во-первых, есть неструктурные вклады, которые включают в себя способность материала поглощать рентгеновское излучение и геометрию эксперимента XRD. Они могут быть учтены при последующей обработке экспериментальных данных. Во-вторых, и это самое важное, структурный вклад материала переносится на относительную интенсивность дифракции. Каждый дифракционный пик фактически является суммой всех рассеянных амплитуд от нескольких лучевых путей, дифрагированных всеми уникальными атомами в элементарной ячейке. Если рассеянный свет находится в фазе, возникает искусственная интерференция. В то время как если они не в фазе, возникают разрушенные помехи. Эти помехи напрямую влияют на амплитуду пиков дифрактора, представляющих плоскости HKL кристалла.
Теперь мы увидим, как эти принципы применимы в реальном эксперименте по рентгеновской дифракции.
Перед началом работы внимательно осмотрите дифрактометр и оцените его состояние и безопасность. Пользователи дифрактометра должны пройти обучение по основам радиационной безопасности, прежде чем получить доступ к прибору. Затем приступаем к подготовке образца. В этом эксперименте мы используем образец никелевого порошка в виде прессованной гранулы.
Важно, чтобы образец не был тонким и он должен быть как минимум в три раза толще, чем длина затухания рентгеновских лучей. Обратите внимание, что следующая процедура применима к конкретному прибору XRD и связанному с ним программному обеспечению, и при использовании других приборов могут быть некоторые изменения.
Загрузите образец в предметный столик и зафиксируйте образец в нужном положении, убедившись, что облучаемая сторона образца параллельна предметному столику. Используйте маску для регулировки размера рентгеновского луча прибора в соответствии с диаметром образца. При наименьшем угле падения луч должен иметь площадь основания меньше ширины образца.
Теперь пришло время определиться с параметрами приобретения. Во-первых, выберите диапазон углов для сканирования XRD. Как правило, диапазон идет от 15 до 90 градусов. Затем выберите размер шага в градусе, а также время интегрирования под каждым сканируемым углом.
Далее приступаем к сбору данных. После сканирования получается график интенсивности в зависимости от угла к тета. На основе этого первоначального сканирования выберите конкретные пики и определите положения пиков.
Повторите сбор данных и на этот раз сосредоточьтесь на более узком диапазоне сканирования вокруг определенных пиков. Использование меньшего шага по углу для получения данных с более высоким разрешением. После завершения сбора данных данные могут быть проанализированы для определения структуры материала.
С помощью программного обеспечения прибора и библиотеки баз данных каждый пик спектра идентифицируется и связывается с определенной симметрией расположения кристаллов. В данном конкретном случае образца никелевого порошка спектр показывает первый пик, соответствующий симметрии один на один.
Второй пик связан с симметрией двух нулей нуля и так далее. Затем программное обеспечение определяет, что эта конкретная комбинация симметрий соответствует гранноцентрированной кубической структуре, и определяет, что образец представляет собой никелевый порошок.
Рентгеновская дифракция является стандартным методом определения наличия или отсутствия кристаллографического порядка в материалах. Он часто используется для получения разнообразной другой структурной информации о внутренних напряжениях и дефектах в кристалле или множественных кристаллографических фазах в композитных материалах. Метод XRD также используется в биологии для определения структуры и пространственной ориентации биологических макромолекул, таких как белки и нуклеиновые кислоты.
В частности, именно так была открыта структура ДНК с двойной спиралью, что привело к присуждению Нобелевской премии по физиологии и медицине в 1962 году. При изучении геохимии минералов в горнодобывающих целях или даже для исследования планет также используется метод дифрактометрии. Подумайте о марсоходе Curiosity на Марсе, у которого среди десяти научных инструментов есть детектор XRD для анализа состава марсианского грунта.
Вы только что посмотрели введение Юпитера в рентгеновскую дифракцию. Теперь вы должны понять кристаллическую структуру твердого тела и принципы рентгеновской дифракции. Также следует знать, как используется метод дифрактометра в лаборатории для получения структуры и химического состава материалов.
Спасибо за просмотр!
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.