تبلیغات
پایگاه اینترنتی شیمی - پراش اشعه ی ایکس
قالب وبلاگ قالب وبلاگ

پایگاه اینترنتی شیمی
 

به وبلاگ من خوش آمدید
 
نوشته شده در تاریخ پنجشنبه 1390/07/14 توسط راضیه سارانی

آنالیز های ساختاری

 

پراش اشعه ی ایکس

پدیده پراش پرتو X
پراش پرتوX كه توسط مجموعه اتم‌ها پدید می‌آید ناشی از تقویت پرتو پراكنده شده در جهت‌های ویژه قضایی است پس از برخورد پرتو X به الكترون‌های ماده آنها را به نوسان وادار می‌كند و این الكترون‌ها نیز باعث تابش پرتو X درفضای اطراف خود با همان بسامد پرتو ابتدایی خواهند شد.اگر پرتوهای پراكنده با هم جمع شوند موج برآیند پدید می‌آید كه دامنه آن بستگی به تعداد الكترون‌ها و اختلاف فاز موج‌های تابیده خواهند داشت. اختلاف فاز پدید آمده بستگی به اختلاف مسیر پیموده شده توسط پرتوها دارد پرتو پدید آمده توسط اتم‌های گوناگون نیز با یكدیگر و به دلیل اختلاف مسیر پیموده شده اختلاف فاز پیدا خواهند كرد و این اختلاف فاز باعث تغییر دامنه پرتو تابیده از مجموعه اتم خواهد شد. از آنجا كه شدت یك پرتو متناسب با توان دوم دامنه آن است تغییرات موجود در فاصله‌های پیموده شده توسط پرتوها سبب تغییر دامنه آنها می‌شود. بنابراین در حالت‌های ویژه‌ای كه دامنه پرتوها با هم جمع شوند پرتو تابیده از مجموعه اتم‌ها تقویت می‌شود و به آن پراش گویند. برای درك این نكته باید توجه كرد كه پرتوهای پراكنده شده از یك مجموعه اتمی در بیشتر حالت‌ها به خاطر موجود نبودن فاصله مناسب و به دنبال آن جمع نشدن دامنه‌ها یكدیگر را تضعیف می‌كنند و شدت پرتو نهایی بسیار ناچیز خواهد بود. دو پرتو با طور موج را در نظر بگیرید كه با یكدیگر هم فاز هستند. پس از پیمودن مسافت مشخص

 

 

براساس آنچه بیشتر توضیح داده شد تمام پرتوهایی كه به صفحه اول اتمی برخورد می‌كنند پس از بازتاب به دلیل اینكه مسافت پیموده شده آنها یكسان است می‌توانند یكدیگر را تقویت كنند پرتو بازتابیده از لایه دوم مسافت بیشتری را می‌پیماید. اگر این اختلاف فاصله مضربی از باشد دو پرتو یكدیگر را تقویت خواهند كرد. حال اگر مسافت پیموده شده توسط پرتو بازتابیده از لایه دوم به اندازه جهت و شدت پرتو X
براساس رابطه قبل طول موج پرتو X یعنی ثابت است و در آزمایش XRD زاویه‌هایی كه پراش در آنها صورت می‌گیرد (یعنی
اجزای دستگاه پراش پرتو X
در دستگاه پراش پرتو X از یك لوله پدیدآورنده پرتو بر روی نمونه مجهول می‌تابد و شدت پرتو پراشیده در زاویه‌های گوناگون اندازه‌گیری می‌شود بدین ترتیب وظیفه دستگاه پراش، تعیین زاویه‌هایی است كه طبق رابطه براگ پدیده پراش در آنها صورت می‌گیرد. همچنین شدت این پرتوها نیز اندازه‌گیری می‌شود مطابق شكل زیر دستگاه پراش از یك دایره فلزی به نام دایره پراش تشكیل شده است كه لوله پدید آورنده پرتو X و آشكارساز بر روی محیط آن و نمونه مجهول در مركز آن قرار دارند.

 

 

 

مطابق این شكل، نمونه مجهول در مركز دایره و بر روی یك سكوی قابل چرخش قرار می‌گیرد این سكو می‌تواند نمونه را به دو محور عمود بر صفحه كاغذ در برابر پرتو بچرخاند بنابراین نمونه مجهول زاویه‌های گوناگونی نسبت به پرتو اختیار می‌كند. تولید پرتو X به صورت ثابت و در همسایگی محیط دایره پراش به گونه‌ای قرار می‌گیرد كه نقطه كانونی خروج پرتو X از آن بر روی محیط واقع شود پرتو X كه تولید می شود به صورت واگرا و پس از عبور از دریچه با زاویه به نمونه مجهول برخورد می‌كند و پرتو پراشیده به صورت همگرا با زاویه

 

آزمایش پراش سنجی را در گستره ده تا هفتاد درجه انجام می‌دهند ولی گاهی می‌توان گستره را از صفر تا 160 درجه نیز انتخاب كرد. از آنجا كه شدت پرتو پراشیده به تدریج ثبت می‌شود و شدت جریان و همچنین ولتاژ لوله پدید آورنده پرتو X بر مقدار شدت پرتو اثر دارند باید دستگاه پراش سنجی دارای قسمت یكنواخت‌ساز ولتاژ و جریان باشد.
ترانسفورماتور تامین كننده ولتاژ بالا قسمت‌های الكتریكی مربوط به كنترل‌های گوناگون و همچنین قسمت گردش آب را نیز باید از دیگر اجزای جانبی دستگاه پراش دانست. در آزمایش پراش سنجی پرتو X به حدود یك سانتیمتر مربع از سطح نمونه مجهول می‌تابد. طبیعی است كه نمونه مجهول باید به طول كامل صاف باشد چند گرم از نمونه مجهول پودری شكل را با قرار دادن در داخل جانمونه‌ای ویژه و صاف كردن سطح آن می‌توان آزمایش كرد بهتراست كه پودر را تا زیر 10 میكرومتر نرم نمود و به هنگام قرار دادن آن در جانمونه‌ای از فشردن بیش از حد كه باعث آرایش ترجیحی فازها گردد دوری كرد. نمونه‌های فلزی را به طور مستقیم و به شكل صفحه صاف در جانمونه‌ای قرار می‌دهند.


شناسایی مواد به كمك پراش پرتو X
الگوی پرتو X هر تركیب منحصر به فرد است در آزمایش پراش سنجی هدف اصلی تعیین زاویه‌های مربوط به هر پیك و سپس مشخص كردن فاصله صفحه‌های اتمی (مقدار d) می‌باشد. با در دست داشتن ارقام مربوط به d كه با دست كم سه رقم پس از اعشار آرایه می‌شود می‌توان با مراجعه به جدول‌های مربوط ماده مجهول را شناسایی كرد. بنابراین نخستین گام پس از به دست آوردن الگوی پراش پرتو X تهیه جدولی است كه در آن


 

این كارت‌ها PDF(Powder diffraction file) یا JCPD(Joint committee for powder diffraction) نامیده می‌شوند. مهمترین اطلاعات ارقام مربوط به سه پیك قوی در الگوست كه در سمت بالا و چپ كارت مشخص شده‌اند.
اگر این d ها با اطلاعات تعیین شده در آزمایش مورد نظر همخوانی داشته باشد می‌توان بقیه dها را برای قضاوت نهایی مقایسه كرد اما اگر این dها با اطلاعات به دست آمده از پراش سنجی همخوانی نداشته باشد باید كارت تركیب دیگری را بررسی كرد. در عمل لازم نیست برای مقایسه ابتدایی از كارت‌های پراش سنجی استفاده كرد برای سرعت عمل بیشتر باید ابتدا از جدول‌های موجود در كتاب‌های پراش سنجی استفاده شود. این جدول‌ها برحسب حروف الفبا تنظیم شده و هشت d مربوط به هر تركیب را می‌توان به سرعت پیدا كرد. علاوه بر ارقام مربوط به d اطلاعات مربوط به شدت‌های نسبی نیز به صورت اندیس همراه با این ارقام آورده شده است.
روش تعیین فاز به كمك پراش سنجی یك روش صحیح و خطاست. به این ترتیب كه پس از تعیین dها و شدت‌های نسبی پس از آزمایش پراش سنجی باید آنها را با dها و شدت‌های یك تركیب حدسی مقایسه كرد. به همین ترتیب به روش حدس و مقایسه می‌توان فازهای مربوط را مشخص نمود. اگر نمونه مجهول دارای فازها یا تركیب‌های زیاد (به عنوان مثال بیش از 5 فاز یا تركیب) باشد به علت تداخل پیك‌های مربوط به فازها شناسایی فازی با اطمینان بالا همراه نخواهد بود به ویژه برای فازهایی كه مقدار آنها در نمونه مجهول كم است (كمتر از 10 درصد وزنی) این مشكل در مقایسه با dهای اندازه‌گیری شده با آنچه در كارت استاندار وجود دارد نمود بیشتری خواهد داشت. از جمله عوامل موثر بر مقدار d درجه تبلور و حضور ناخالصی‌هاست. آنچه در كارتهای استاندارد به عنوان d آرایه می‌شود به نمونه‌های تهیه شده در شرایط آرمانی تعلق داشته و بنابراین نمی‌توان همخوانی كاملی را با dهای اندازه‌گیری شده توسط پراش سنجی انتظار داشت تهیه این نمونه‌ها با مواد اولیه خالص حرارت دادن طولانی در شرایط كنترل شده و تعادلی بوده است. بنابراین تبلور و تشكیل ساختار كاملتری را باید برای آنها انتظار داشت تاكنون بحث اصلی در شناسایی مواد به روش XRD براساس مقدار d استوار بوده و به شدت پیك اشاره نشده است. از شدت‌های نسبی پیك‌ها می‌توان وقتی كه همخوانی dها رضایت‌بخش نبوده و یا شناسایی تركیب‌ها ساده نیست استفاده كرد. در این گونه موارد مقایسه شدت‌های ثبت شده در الگوی پرتو X با آنچه در كارت پیش‌بینی شده است می‌تواند كمك بزرگی باشد به ویژه زمانی كه یكی از سه پیك اصلی یك فاز بر روی یك پیك از فاز دیگر افتاده باشد قضاوت با اطمینان در مورد حضور آن فاز مشكل خواهد بود. در چنین حالتی متفاوت بودن شدت آن پیك با آنچه در كارت استاندارد پیش‌بینی شده راهنمای مناسبی برای تایید فاز مورد نظر می‌باشد در مواردی كه نمونه به طور كامل ناشناخته است چون در عمل مشخص نیست كه dهای الگوی اندازه‌گیری شده را باید با چه كارتی مقایسه كرد تشخیص فازهای موجود در نمونه كار مشكلی خواهد بود.
گرچه این نوع شناسایی به ندرت پیش می‌آید در بیشتر مواقع با اطلاعات جانبی كه از نمونه مجهول در دست است امكان مقایسه فراهم می‌شود. در این حالت نیز یك روش مقایسه‌ای وجود دارد به این معنی كه با مراجعه به كتاب‌های ویژه‌ای كه در آن مقدار d مواد بسیاری با سیر كاهشی و افزایشی نشان داده شده‌اند امكان‌‌پذیر می‌باشد. اگر نمونه مجهول فقط یك فاز داشته باشد تعیین آن به این روش آسان است ولی در صورتی كه دارای بیش از 3 فاز باشد شناسایی آن بسیار مشكل خواهد بود علت این است كه ردیف جدول‌ها در این كتاب‌ها برحسب dهای یك تركیب تنظیم شده و زمانی كه تعداد فازها زیاد باشد به راحتی نمی‌توان سه d مربوط به یك فاز را از مجموعه dها انتخاب كرد. بدیهی است برای درك دقیق روش‌های شرح داده شده حضور در آزمایشگاه XRD و انجام چند مورد آزمون شناسایی فازی ضروری است. امروزه استفاده از نرم‌افزارهای كامپیوتری فرایند مقایسه dها و شناسایی فازی را سرعت بخشیده‌اند.بیشتر دستگاه‌ها به قسمت جستجو مجهربوده و بنابراین با وارد كردن dهای اندازه‌گیری شده نوع فازها را می‌توان مشخص كرد.البته نتیجه‌ای كه از این نرم‌افزارها به دست می‌آید همراه با خطاست. نكته اول آنكه با خطای جزیی كه در اندازه‌گیری dوجود دارد با توجه به اینكه دستگاه ارقام وارد شده به عنوان d را با هزاران ماده مقایسه می‌كند امكان اشتباه زیاد است و گاه مشاهده می‌شود كه فاز مورد نظر را بسیار اشتباه پیشنهاد می‌كند. دوم آنكه زمانی كه نمونه مجهول دارای چند فاز است چون دستگاه قادر به تفكیك dهای مربوط به هر فاز نیست در تشخیص تركیب‌های موجود علاوه بر فازهای واقعی، تركیب‌های دیگری را نیز پیشنهاد خواهد كرد. به این ترتیب استفاده از نرم‌افزارهای جستجوی كامپیوتری مفیدند ولی باید با احتیاط انجام شود.
كاربردهای جانبی روش XRD
اگر چه كاربرد اصلی روش XRD شناسایی فازی و كانی مواد و تعیین ساختار بلوری ماده است ولی در علم مواد این روش كاربردهای دیگری هم دارد كه به برخی از آنها اشاره خواهد شد.
تعیین اندازه ذرات
در روش پراش سنجی پهن شده پك یك ماده به كاهش اندازه ذرات آن وابسته بوده كه به رابطه شرر معروف است. بنابراین می‌توان اندازه ذرات یك ماده را با این روش مشخص كرد رابطه شرر به صورت زیر است:


تعیین ثابت شبكه در علم مواد اهمیت زیادی دارد به عنوان مثال می‌توان با اندازه‌گیری آن درباره حلالیت یك ماده در ساختار بلورین تركیب دیگر قضاوت كرد. همچنین با اندازه‌گیری ثابت شبكه در دماهای گوناگون می‌توان ضریب انبساط حرارتی ماده را تعیین نمود. از آنجا كه در هر ساختار بلورین فاصله بین صفحه‌های بلوری d و ثابت شبكه a روابط مشخصی وجود دارد با اندازه‌گیری دقیق d مقدار a تعیین خواهد شد. شاید گمان شود كه چون در كار پراش سنجی مقدار d را می‌توان تعیین كرد پس مقدار a هم قابل تعیین است. واقعیت این است كه در كار روزانه شناسایی فازی و تعیین مقدارهای مربوط به d كه از روی زاویه‌های مربوط به دست می‌آیند این كار با دقت خیلی بالا كه برای تعیین ثابت شبكه مورد نظر است انجام نمی‌شود.
بنابراین وقتی در كار پراش سنجی هدف اندازه‌گیری مقدار a است مشكل اصلی تعیین دقیق مقدار اندازه‌گیری تنش باقیمانده در نمونه
به كمك روش XRD می‌توان تنش باقیمانده را در یك ماده بررسی كرد. اساس این روش تغییر فاصله صفحه‌های بلورین ماده به دلیل وجود تنش است كه باعث جابجایی محل پیك‌ها می‌شود. اگر در ماده بدون تنش فاصله صفحه‌های بلورین باشد. موقعیت پیك در زاویه آنالیز كمی
از آنجا كه شدت پیك در الگوی پراش پرتو X متناسب با مقدار فازهای موجود در نمونه است می‌توان به كمك این روش آنالیز كمی نیز انجام داد. به عبارت دیگر نه تنها می‌توان نوع فازها را مشخص كرد بلكه امكان تعیین مقدار آنها نیز وجود دارد. ولی با توجه به مشكلات زیاد و تقریبی بودن آن كمتر از روش XRD استفاده می‌شود. بدیهی است كه شدت پیك‌ها كه شدت پرتو پراشیده را نشان می‌دهند علاوه بر مقدار فاز به عوامل دیگری نیز وابسته است. شدت پرتو ابتدایی توسط شدت جریان لوله پدید آورنده پرتو X و ولتاژ اعمالی تعیین می‌شود بنابراین باید به آنها توجه كرد از طرف دیگر اندازه ذرات نوع فازهای موجود در زمینه حساسیت آشكارساز و همچنین سرعت چرخش نمونه همگی بر ارتفاع پیك اثر دارند. بنابراین باید با ساخت نمونه‌های ویژه و یا استفاده از مواد استاندارد این اثرات را تصحیح نمود. چند روش برای آنالیز كمی به كمك پراش سنجی مرسوم است كه معروفترین آنها ساخت استاندارد داخلی است و علاقه‌مندان برای مطالعه بیشتر باید به مراجع تخصصی موجود در این زمینه مراجعه كنند.
در ادامه ی معرفی روش پراش پرتوی ایکس به صورت شناسنامه ای ، این روش مورد ارائه قرار می گیرد.


تعیین ثابت شبكه
 


در پراش اشعه ی ایکس ، یک پرتوی موازی از اشعه ی ایکس ، با طول موج نیم تا 2 آنگستروم ، روی یک نمونه برخورد کرده و با فازهای بلوری در نمونه با توجه به قانون براگ ، پراشیده می شود. شدت اشعه ی ایکس به صورت تابعی از زاویه ی پراش یعنی زاویه  و جهت گیری نمونه ، اندازه گیری می شود. این الگوی پراش برای تعیین فازهای بلوری نمونه و اندازه گیری خواص ساختاری آن شامل کرنش (که با دقت زیاد) همبافتگی(Epitaxy) و اندازه و جهت گیری کریستالایت ها(منطقه های بلوری کوچک) استفاده می شود. XRD همچنین پروفایل های غلظتی ، ضخامت لایه ها ، آرایش اتم ها در مواد آمورف و چندلایه را می توان تعیین نماید. همچنین قادر به مشخصه یابی عیوب نیز هست . برای بدست آوردن این اطلاعات فیزیکی و ساختاری از لایه های نازک ، تجهیزات XRD و روش هایی طراحی شده اند که شدت اشعه های ایکس پراشیده را ماکسیمم می کند ، زیرا توان پراش لایه های نازک کوچک است.
محدوده ی عناصر قابل آنالیز : تمام عناصر ، اما نه عنصری خاص . عناصر با عدد اتمی کوچک به سختی آشکار سازی می شوند
آشکارسازی عمقی : معمولا تا چند میکرومتر ، ولی وابسته به ماده است
محدودیت های آشکارسازی : وابسته به ماده ، اما تقریبا در مواد دو فازی 3 %
مخرب بودن آزمون : خیر ، برای اکثر مواد
پروفایل برداری عمقی : معمولا خیر ، اما قابل دستیابی است
لازمه های نمونه : هر ماده ای ، با ابعاد بیشتر از نیم سانتی متر
قدرت تفکیک عرضی : معمولا خیر
استفاده های اصلی :
تعیین فازهای بلوری ، تعیین کرنش و جهت گیری و اندازه گیری کریستالایت ها ، تعیین دقیق آرایش های اتمی
استفاده های خاص : تصویر برداری و مشخصه یابی از عیوب ، آرایش های اتمی در مواد آمورف و چند لایه ، پروفایل های غلظتی با عمق ، اندازه گیری های ضخامت

منابع و توضیحات:
  - 1. دکتر مسعود صلواتی نیاسری، زینب فرشته، کتاب"نانو شیمی، روش¬های ساخت، بررسی خواص و کاربرد¬ها"،نشر علم و دانش-1388.




طبقه بندی: نانو تکنولوژی، 
برچسب ها: پراش اشعه ی ایکس، اشعه ی ایکس،  
.: Weblog Themes By Pichak :.


تمامی حقوق این وبلاگ محفوظ است | طراحی : پیچک
قالب وبلاگقالب وبلاگ