Современные методы анализа

Национальный исследовательский Томский политехнический университет
Современные методы анализа
Рентгеноструктурный анализ
Юлия Исакова
Аспирант 2-го года Лаб. №1 ИФВТ
Томск 2012
Рентгеноструктурный анализ
Строение твердых тел можно установить, изучая дифракцию на них рентгеновских лучей и используя
полученные рентгеновские снимки для выяснения структур сложных кристаллов
NaCl имеет
гранецентрированную
кубическую решетку
Дифракция рентгеновских лучей на правильной периодической решетке кристалла создает на экране
систему пятен (А). Каждое из них формируется рентгеновскими лучами, которые, последовательно
отражаясь от плоскостей кристалла, проходят путь, равный целому числу длин волн (В). Симметрия и
регулярность в расположении пятен помогают кристаллографу определить, с каким типом ячейки он
имеет дело.
Рентгеноструктурный анализ
Методы рентгеноструктурного анализа применяются для изучения
кристаллической структуры металлов, сплавов, керамических материалов, а
также тонких пленок при проведении экспериментальных исследований и
позволяют анализировать следующие важные параметры структуры
исследуемых материалов:
•определение кристаллической структуры (типа элементарной ячейки);
•точное определение параметров элементарной ячейки, макронапряжений;
•определение фазового состава исследуемого материала;
•определение
параметров
тонкой
кристаллической
структуры:
(микроискажений, размеров областей когерентного рассеяния,
плотности
дефектов);
•анализ преимущественных ориентировок (текстур) в образце;
•исследование кристаллической структуры и фазового состава тонких
пленок.
Принцип работы рентгеновского дифрактометра
При рентгенографических методах
исследования строения твердых тел
применяются рентгеновские лучи с длинами
волн от 0.2 Å до 2.5 Å
Схема рентгеновского дифрактометра
Уравнение Брегга-Вульфа
λ=2dhkl sin θ
Падающее рентгеновское
излучение
Дифрагированное рентгеновское
излучение
Отражение рентгеновских лучей в кристалле
Путь, пройденный лучами, отраженными от соседних плоскостей, неодинаков. Разность
хода лучей равна при этом 2d sinθ, где d – расстояние между плоскостями, а θ- угол
падения и угол отражения. В зависимости от величины угла θ отраженные лучи будут
складываться или вычитаться, при этом максимальная амплитуда соответствует углам,
при которых разность хода лучей соответствует целому числу волн, т.е. условию:
2d sin θ = nλ
Рентгеновский дифрактометр XRD-6000
Основное меню XRD-6000
Юстировка
и измерения
Обработка Поиск Колич.
Расширенные функции
данных
соотв. расчёт
Стандартное
программное
обеспечение
XRD-6000/7000
Опционное
программное
обеспечение
Обработанная дифрактограмма
Модель структуры
Качественный фазовый анализ
Определение фазового состава образца является наиболее распространённой и
сравнительно легко решаемой задачей рентгеноструктурного анализа.
Каждая фаза имеет свою кристаллическую решётку, а значит, характеризуется и
определённым набором межплоскостных расстояний. Поэтому для решения вопроса о
том, какая фаза присутствует в пробе, нет необходимости в определении её
кристаллической структуры, а достаточно сравнить полученный из дифрактограммы
ряд межплоскостных расстояний с табличными значениями из базы данных(ASTM
Diffraction Data File ).
Совпадение (в пределах ошибок эксперимента) опытных и табличных значений d/n и
относительной интенсивности линий позволяет однозначно идентифицировать
присутствующую в образце фазу.
Количественный фазовый анализ
Количественный фазовый анализ, т.е. определение количества какой-либо одной
или ряда фаз в многофазных композициях, основан на том, что интенсивность
линий данной фазы пропорциональна, кроме всех факторов интенсивности, и
объемной доле данной фазы в смеси.
Анализ основан на количественном сравнении интенсивности линий разных фаз
друг с другом или с интенсивностью линии эталона, снимаемого в тех же условиях.
В этой связи в настоящее время для количественного фазового анализа главным
образом используется рентгеновский дифрактометр.
Исследование тонких пленок и покрытий
Для изучения структуры и фазового состава тонких пленок и покрытий с помощью
рентгеноструктурного анализа применяют метод скользящего пучка
θ-2θ метод
Метод тонких плёнок
Тонкий слой (<100 нм)
Материал основы
Преимущества
Более высокая интенсивность по сравнению с обычной
методикой
Отсутствуют пики от материала основы
Можно измерять толщину слоёв
Измерение покрытия
Au на Cu
Заключение
Дифракционные методы исследования и, в первую очередь, рентгеновский
дифракционный анализ, являются основным источником сведений о структуре
вещества на атомном уровне.
Достоинства рентгеноструктурного метода (РСА)
В отношении требований, предъявляемых к образцу, лучше всего дело обстоит в
случае РСА:
Поток электронов полностью поглощается при прохождении через слой в несколько
микронов; рентгеновские лучи дают достаточную интенсивность рассеяния при
пересечении слоя в мм.
Поэтому для рентгеноструктурных исследований нет жестких требований к размерам
образца.
Недостатки рентгеноструктурного метода (РСА)
Необходим опыт оператора при расшифровке и интерпретации полученных данных.
Список литературы
Рентгеноструктурный анализ:
1. М.Бюргер Структура кристаллов и веторное пространство, Москва, ИЛ 1961
2. Г.Липсон, В.Кокрен Определение структуры кристаллов, Москва, ИЛ, 1956
3. Дж.Гласкер, К.Трублад Анализ кристаллической структуры, Москва, Мир,1974
4. Б.Я.Пинес Лекции по структурному анализу, Харьков, ХГУ, 1957
5. Г.С.Жданов Основы рентгеноструктурного анализа, Москва, Гостехиздат, 1940
6. Г.Б.Бокий, М.А. Порай-Кошиц Практический курс рентгеноструктурного анализа,
Москва, МГУ, 1960 с.632
Научно-популярные фильмы на Youtube:
1. Методы рентгеноструктурного анализа, Часть 1:
http://www.youtube.com/watch?v=r2x_I8XMsyU
2. Методы рентгеноструктурного анализа, Часть 2:
http://www.youtube.com/watch?v=rWGQDox37Lc
Список литературы
Электронная микроскопия учеб. пособие / А. И. Власов, К. А. Елсуков, И. А.
Косолапов. – М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2011. –168 с.
ПЭМ:
1. П. Хирш, А. Хови, Р. Николсон, Д. Пэшли, М. Уэлан. Электронная микроскопия
тонких кристаллов., М., Мир, 1968.
2. Г. Томас, М.Д. Гориндж. Просвечивающая электронная микроскопия материалов., М.,
Наука, 1983
3. Дж. Спенс. Экспериментальная электронная микроскопия высокого разрешения, М.,
Наука, 1986
4. Д. Синто, Т. Оикава. Аналитическая просвечивающая электронная микроскопия., М.,
Техносфера, 2006
5. D.B. Williams, C.B. Carter. Transmission Electron Microscopy. V. I – IV. NY and London,
Plenum Press, 1996
РЭМ:
1. Дж. Гоулдстейн, Д. Ньюбери, П. Эчлин. Растровая электронная микроскопия и
рентгеновский микроанализ. М., Мир, 1984
2. под ред. Ф. Моррис, Тискье. Микроанализ и растровая электронная микроскопия. М.,
Металлургия, 1985
3. под ред. Дж.Дж. Грена, Дж.И. Гольдштейна, Д.К. Джоя, А.Д. Ромига. Основы
аналитической электроной микроскопии. М., Металлургия, 1990