آنالیز XRD

انجام انالیز XRD

اشعه ایکس ، یک موج الکترومغناطیس است و وقتی داخل ابر الکترونی می شود، بارهای الکتریکی را تحت تاثیر قرار می دهد. وقتی که اشعه ایکس به یک ماده برخورد می کند، شانس کمی دارد که یک الکترون از ماده بکند و بیشتر صرف نوسان و تبادل انرژی با الکترون می شود. درنتیجه مقدار زیادی از اشعه ایکس متفرق می شود. پراش پرتو ایکس که توسط مجموعه ای از اتم ها پدید می آید ناشی از تقویت پرتو پراکنده شده در جهت های ویژه فضایی (زاویه خاص) است. تقویت پرتو در انالیز XRD ، به اختلاف مسیر پیموده شده و به موقعیت اتم در بلور بستگی دارد.

 

در آنالیز پراش اشعه ایکس، طول موج پرتو ایکس ثابت است و زوایایی که پراش در آن ها صورت می گیرد، متفاوت می باشد. از این دو پارامتر می توان فاصله بین صفحات بلوری را به دست آورد. در مرحله بعد با استفاده از فاصله صفحات بلوری و اندیس های میلر و رابطه براگ ، پارامترهای مختلفی به منظور شناسایی ماده مورد نظر به دست می آید. رابطه براگ به صورت زیر می باشد:

2dsinθ=λ

در این رابطه، λ طول موج پرتو تابیده شده، θ زاویه پراش و d فاصله بین صفحات بلوری می باشند.

شدت پراش اشعه ایکس

شدت پراش پرتو ایکس وابسته به عوامل مختلفی می باشد؛ از جمله:

• آرایش الکترونی
• موقعیت اتمی در شبکه بلوری
• موقعیت اتم ها از نظر قطبش بر هم، که بر روی پرتو پراشیده موثر است.
• چگالی اتم در صفحه های پراش
• تعداد صفحه های پراش دهنده که به معنای غلظت ترکیب یا فاز در نمونه مجهول می باشد.

آماده سازی نمونه برای آنالیز پراش اشعه X

اگر نمونه مجهول به صورت پودر باشد، مقدار 100 میلی گرم برای انجام اناليز XRD تهیه می شود. اگر این مقدار زیاد باشد، آنالیز پراش اشعه ایکس را می توان با 20 میلی گرم نیز انجام داد. اما برای انالیز XRD از نوع Low angle باید مقدار نمونه بیشتر از 100 میلی گرم باشد. نمونه پودری باید ریز و خرد شود تا فشار اضافی به حداقل برسد و از جا به جایی پیک جلوگیری شود.

 

اجزای دستگاه پراش اشعه ایکس

دستگاه پراش اشعه ایکس زاویه هایی را که طبق پدیده براگ ، پراش در آن صورت می گیرد را تعیین کرده و شدت پرتو را اندازه گیری می کند. دستگاه پراش اشعه ایکس از سه قسمت اصلی تشکیل شده است. منبع تولید کننده اشعه ایکس ، پراش سنج و آشکارساز اجزای اصلی و اساسی دستگاه پراش اشعه ایکس می باشند.

منبع تولید اشعه ایکس

به منبع تولید کننده اشعه ایکس ، لامپ اشعه ایکس نیز می گویند. این قسمت از دستگاه، اشعه ایکس را تولید کرده و به صورت واگرا و با زاویه به نمونه مجهول می تاباند و پرتو پراشیده به صورت همگرا و با زاویه تتا نسبت به نمونه وارد آشکار ساز می شود. بنابراین اشعه ایکس تابیده شده، از یک فیلتر می گذرد. این فیلتر فقط یک اشعه ایکس با طول موج مشخص را عبور می دهد. این طول موج اساس تعیین ویژگی های ساختاری ماده و تحلیل های آنالیز XRD می باشد.

 

پراش سنج

پراش سنج در واقع نگهدارنده ی نمونه است که از یک دایره فلزی تشکیل شده است. نمونه روی آن قرار می گیرد و صفحه قابلیت چرخش دارد تا نمونه بتواند زوایای مختلفی نسبت به پرتو ایکس بگیرد. نگهدارنده ی نمونه هم می تواند در یک محور (حول محور خود) بچرخد و هم در سه محور قابلیت چرخش داشته باشد. در برخی دستگاه ها نیز می توان هم زمان با چرخش، به نمونه حرارت نیز داد.

آشکارساز

پرتو دریافتی در آشکارساز به جریان الکتریکی تبدیل می شود. جریان تولید شده، توسط یک جریان سنج خوانده شده و اندازه گیری می شود. سرعت حرکت آشکارساز دو برابر سرعت چرخش نمونه است. زیرا زاویه بین پرتو ابتدایی و پرتو ورودی به آشکارساز 2θ است.  2θ را می توان بین صفر تا 160 درجه تغییر داد. اگر صفر درجه باشد، یعنی کل اشعه ایکس به آشکارساز رسیده و آن را می سوزاند. یعنی تمام گازهای آشکارساز گازی را یونیزه کرده و می سوزاند. در نهایت جریان اندازه گیری شده، به صورت نمودار شدت پرتو برحسب زاویه از کامپیوتر به صورت خروجی گرفته می شود.

 

تحلیل آنالیز XRD (پراش اشعه X)

کاربرد اصلی انجام انالیز XRD شناسایی فازی و تعیین ساختار بلوری است. تحلیل آنالیز پراش اشعه ایکس تنها با استفاده از نمودارهایی ممکن است که دستگاه xrd به صورت خروجی در اختیار کاربر قرار می دهد. تحلیل انالیز XRD بر اساس مطالعه پراش پرتو ایکس و قانون براگ انجام می شود. از آن جایی که طیف هر ترکیب منحصر به فرد است، تحلیل آنالیز XRD به شناسایی فاز و ترکیب نمونه مجهول منجر می شود.

تفسیر طیف پراش اشعه X

برای تفسیر طیف XRD ، پس از انجام انالیز XRD، لیستی از 2θ و d و شدت نسبی هر پیک (ارتفاع هر پیک به بلندترین پیک) باید تهیه شود. بلندترین پیک ، 100 در نظر گرفته می شود و باقی پیک ها نسبت به آن سنجیده می شوند. لیست تهیه شده، با کارت های JCPDS که در نرم افزار مربوط به تفسیر طیف پراش اشعه X موجود است، مقایسه می شود. نرم افزار تفسیر طیف XRD ، Xpert HighScore می باشد. این کارت ها به صورت خطوط عمودی منطبق با پیک ها ارائه می شوند. درنهایت فرمول و ترکیب نمونه مجهول به دست می آید.

در نمودارهای حاصل از آنالیز پراش اشعه ایکس ، می توان به مورد دیگر به نام FWHM دست یافت. این کلمه مخفف Full width at Half Maximum می باشد که به معنای پهنای پیک در نصف ارتفاع است. FWHM در تفسیر طیف پراش اشعه X ، برای به دست آوردن اندازه بلورک با استفاده از رابطه شرر به کار گرفته می شود. تفسیر طیف XRD مشخص می کند چه نوع فاز کریستالی و چه مقدار از آن در نمونه مجهول وجود دارد و هم چنین وجود و یا عدم وجود مواد آمورف نیز از این آنالیز قابل تشخیص است.

 

هزینه آنالیز XRD

هزینه آنالیز XRD را می توان از لحاظ قیمت دستگاه xrd و هزینه انجام آن، مورد بررسی قرار داد. آنالیز پراش اشعه ایکس نیاز به خلاء ندارد و این یکی از مواردی است که قیمت دستگاه xrd را تحت تاثیر قرار می دهد و باعث کاهش هزینه های ساخت می شود. از جمله عواملی که می توانند قیمت دستگاه xrd را تحت تاثیر قرار دهند اجزای دستگاه، دقت دستگاه، سرعت انجام آنالیز، توان لوله های اشعه ایکس و غیره می باشد. هر چه تجهیزات دستگاه xrd مدرن تر و پیشرفته تر و درنتیجه، دقت دستگاه بالاتر باشد، قیمت دستگاه xrd نیز بالاتر خواهد بود.

بسته به اینکه شما هنگام تحویل نمونه به آزمایشگاه تعیین چه مواردی را درخواست می کنید، می تواند تغییر کند. اما به طور کلی می توان گفت هزینه آنالیز XRD زیاد نمی باشد و به دلیل در اختیار قرار دادن اطلاعات مفید، روش پرکاربردی نیز هست. هر کدام از قسمت های شناسایی فاز و ترکیب و هم چنین نوع آناليز انجام شده، روی هزینه آنالیز XRD تاثیر می گذارند. برای مثال هزینه آنالیز XRD در انواع Low angle (از 8/0 تا 10 درجه) ، Normal XRD (از 10 تا 80 درجه) ، آنالیز Grazing و آنالیز پراش اشعه X در دمای بالا متفاوت می باشد.

خدمات آنالیز XRD

خدمات آنالیز XRD به صورت تحویل نمونه انجام انالیز xrd و دریافت نمودارهای تشخیص فاز و ترکیب نمونه مجهول می باشد که توسط آزمایشگاه های مربوطه انجام می شود. به دست آوردن زاویه ماکزیموم شدت اشعه پراشیده شده، شدت اشعه پراشیده شده در هر زاویه و پهنای هر پیک از جمله خدمات آنالیز XRD می باشد. هر کدام از این نتایج می توانند ویژگی ها و خصوصیات ساختار کریستالی ماده را شناسایی کنند.

 

کاربردهای آنالیز پراش اشعه ایکس

• تعیین ثابت شبکه به کمک پراش اشعه ايکس که با استفاده از روابط بین فاصله صفحات بلوری d و ثابت شبکه a بعد از محاسبه d های مربوطه از رابطه براگ امکان پذیر است.
• تعیین اندازه ذره به کمک پراش پرتو ایکس که توسط رابطه شرر انجام می شود. رابطه شرر به صورت زیر بیان می شود:

B=0.9λ/tcosθ

که در آن، t اندازه ذره، B عرض پیک در نصف شدت بیشینه بر حسب رادیان، λ طول موج پرتو ایکس و θ زاویه براگ مربوط به پیک ناشی از پراش می باشد. برای محاسبه B از یک ماده استاندارد استفاده می کنند. ماده استاندارد باید دارای اندازه ذرات بزرگتر از 1000 آنگستروم باشد تا فقط خطای دستگاهی را نشان دهد و باید پیک اصلی آن نیز نزدیک به پیک ماده مجهول باشد.

• اندازه گیری تنش باقی مانده (تنش پسماند) در نمونه توسط آنالیز پراش اشعه X (به علت تنش، فاصله صفحات بلورین تغییر می کند و محل پیک ها جا به جا می شود).