Röntgendiffraktio

Mihin XRD-analyysia käytetään

Röntgendiffraktiota (X-ray diffraction, XRD) käytetään kiteisten materiaalien kristallografisen rakenteen eli kiderakenteen ominaisuuksien määrittämiseen. Kiderakenne tarkoittaa hiukkasten (atomien, ionien tai molekyylien) järjestystä kiteisessä aineessa, jossa ne ovat järjestäytyneet säännöllisiksi toistuviksi yksiköiksi.

Natriumkloridi (ruokasuola) ja timantti ovat esimerkkejä kiteisistä aineista, mutta kaikilla kiinteillä aineilla on jonkinlainen kiderakenne. Tämän rakenteen komponentit ovat yleensä kidetasoja, toisin sanoen atomeja, jotka ovat asettuneet päällekkäisiksi tasoiksi tietyillä etäisyyksillä. Nämä etäisyydet voidaan mitata XRD:llä.

XRD:n lisäksi kiderakenteiden analysointiin voidaan käyttää elektronien sirontaan perustuvaa EBSD-menetelmää.

Diffraktio ilmiönä

XRD perustuu ilmiöön, jota kutsutaan diffraktioksi. Diffraktiossa säännöllisessä järjestyksessä olevat sirottavat kappaleet tuottavat säännöllisiä pallomaisia säteilyn aaltoja, kun säteily osuu niihin ja heijastuu niistä. Tätä kutsutaan elastiseksi sironnaksi. Lähes kaikissa suunnissa heijastetut aallot kumoavat toisensa, mitä kutsutaan vaimentavaksi eli destruktiiviseksi interferenssiksi. Muutamissa tietyissä suunnissa aallot kuitenkin summautuvat vahvistaen toisiaan, mitä kutsutaan vahvistavaksi eli konstruktiiviseksi interferenssiksi.

Toisiaan vahvistavat suunnat näkyvät kirkkaina heijastuksiksi kutsuttuina pisteinä muodostuneessa diffraktiokuviossa. Tätä ilmiötä voidaan kuvata Braggin lain avulla: 2dsinθ = nλ, missä d on diffraktoivien (aaltoja heijastavien) tasojen tai kappaleiden välinen etäisyys, θ on heijastuneen säteilyn kulma, n on kokonaisluku, joka edustaa sirottajien määrää, ja λ on käytetyn säteilyn aallonpituus. Diffraktiokuviot johtuvat siis sähkömagneettisen säteilyn aalloista, jotka heijastuvat säännöllisestä sirottavien kappaleiden matriisista.

Diffraktio XRD:ssä

Diffraktiota voidaan soveltaa erilaisten materiaalien atomitasolla, kun röntgensäteitä käytetään sähkömagneettisena säteilynä diffraktiokuvion tuottamiseksi. Röntgensäteet ovat hyvä työkalu kiderakenteiden määrittämiseen, koska röntgensäteiden aallonpituus (λ) on usein samaa suuruusluokkaa kuin materiaalissa olevien kidetasojen välimatkojen (d) pituudet. XRD:ssä röntgensäteet siroutuvat kiderakenteen atomeista pääasiassa siksi, että ne vuorovaikuttavat atomien elektronien kanssa.

Diffraktoitujen röntgensäteiden tuottama diffraktiokuvio on erilainen kullekin aineelle sille ominaisen atomien tai molekyylien järjestyksen vuoksi. Materiaalista diffraktoituneiden röntgensäteiden intensiteetit ja sirontakulmat mitataan röntgenanalysaattorilla. Mittauksen lopputulos on diffraktogrammi, eli kuvaaja, jossa röntgensäteen intensiteetti on esitetty y-akselilla ja saapuvan ja diffraktoidun röntgensäteen välinen kulma x-akselilla. Kun mitataan kulmat, joissa konstruktiivinen interferenssi tapahtuu ja heijastukset ilmenevät, sekä tiedetään käytettyjen röntgensäteiden aallonpituus (λ), voidaan materiaalin kidetasojen tai atomien väliset etäisyydet (d) laskea käyttämällä Braggin lain matemaattista kaavaa. 

Röntgendiffraktiolla saatava tieto

Diffraktogrammista voidaan saada monenlaista ​​tietoa. Koska jokainen kiteinen aine tuottaa omanlaisensa diffraktiokuvion ja siten myös diffraktogrammin, eri materiaalit voidaan tunnistaa vertaamalla saatua diffraktogrammia yleisesti käytettyihin tietokantoihin eri materiaalien diffraktogrammeista.

Myös yksittäiset komponentit ja niiden suhteelliset määrät on mahdollista määrittää materiaalista, joka koostuu useista eri faaseista tai aineista. Kiteisessä rakenteessa olevien hiukkasten hilan parametrit voidaan määrittää XRD:llä, koska materiaalin hiukkasten mittoja, muotoja ja geometrioita on mahdollista mitata. Lisäksi kiteiden koko ja rasitus voidaan mitata XRD:llä, sillä diffraktiokuvion kirkkaiden pisteiden leveys riippuu aineen kidekoosta ja mikrorasituksesta näytteessä. Näin ollen tietoa kiteiden koosta ja rasituksesta voidaan saada diffraktogrammin piikkien levenemisestä. Yksittäisiä kiteitä voidaan myös tutkia niiden molekyylien kolmiulotteisen rakenteen määrittämiseksi yksittäisen kiteen diffraktion (SCD) avulla. Tämä analyysi vaatii näytteestä yksittäisen kiteen, joka voidaan tuottaa olosuhteita, kuten liuotinta tai haihdutusnopeutta vaihtelemalla.

XRD normaalista poikkeavissa olosuhteissa

Röntgendiffraktiomittaukset voidaan tehdä normaaleissa (ambient) tai normaalista poikkeavissa (non-ambient) olosuhteissa. Yleensä normaaliolosuhteissa tehtävää XRD:tä (ambient XRD) käytetään materiaalin perusrakenteen määrittämiseen. Non-ambient XRD:ssä (NA-XRD) näytettä analysoidaan poikkeavissa olosuhteissa, jotka voidaan luoda säätämällä ympäristön parametreja, kuten lämpötilaa, painetta, suhteellista kosteutta, kaasuympäristöä ja mekaanista kuormitusta sekä sähkö- ja magneettikenttiä.

Parametrien muuttaminen NA-XRD:ssä johtaa muutoksiin materiaalissa ja sen rakenteissa, ja näitä muutoksia voidaan tutkia samaan aikaan kun ne tapahtuvat. Menetelmällä voidaan tutkia esimerkiksi käytön aikana tapahtuvia rakennemuutoksia, lämpökäsittelyä, kalsinointia ja sintrausta, sekä hydraatio- ja dehydraatioprosesseja. NA-XRD voi antaa erittäin tärkeää tietoa materiaalin käyttäytymisestä erilaisissa tilanteissa.

Näytteet

Jotta diffraktio tapahtuisi, röntgensäteiden on sirottava säännöllisestä hiukkasrakenteesta, jossa materiaalin hiukkasten järjestys säilyy pitkän matkaa samanlaisena. Tämän vuoksi käytettävien näytteiden on oltava kiinteitä kiteisiä materiaaleja, mikä tarkoittaa että niillä täytyy olla säännöllinen kiderakenne. Myös amorfisia materiaaleja voidaan tutkia XRD-menetelmällä, mutta niistä saadaan vain vähän tietoa. Näytteet on mahdollista esikäsitellä ennen analyysiä hienontamalla ne jauheeksi. Tämä parantaa mittauksen laatua esimerkiksi lisäämällä röntgensäteiden diffraktion intensiteettiä.

Tarvitsetko XRD-analyysejä?

Measurlabs tarjoaa laboratoriotestejä XRD:llä, GIXRD:llä ja muilla röntgenmenetelmillä. Käsittelemme suuretkin näyte-erät nopeasti ja laadusta tinkimättä, jotta saat tarvitsemasi tiedot ilman tarpeettomia viivytyksiä. Testausasiantuntijamme ovat täällä vastaamassa kaikkiin mahdollisiin kysymyksiisi ja tekevät parhaansa täyttääkseen raportointiin tai aikatauluihin liittyvät erityispyynnöt. Ota meihin yhteyttä alla olevalla lomakkeella pyytääksesi tarjous, niin palaamme sinulle viimeistään seuraavana arkipäivänä.