مقدمه ای بر پراش پرتو ایکس (XRD)

از آن جا که پراش پرتو ایکس (XRD) یک روش استاندارد برای بررسی ساختار و خواص ترکیبات خصوصاٌ پلیمرها می باشد. مقاله حاضر مقدمه ای بسیار کوتاه و خلاصه از معرفی برخی تکنیک های مورد استفاده پراش پرتو ایکس در مشخصه یابی مواد است.

دستگاه پراش  پرتو ایکس (XRD) از ۳ بخش تشکیل شده است:

  • منبع تولید اشعه ی X
  • نگهدارنده نمونه
  • آشکار ساز

شکل ۱- شماتیکی از دستگاه پراش پرتو ایکس (XRD)

نحوه تولید پرتو X

پرتو ایکس (X) درسال ۱۸۹۵ به وسیله رونتگن فیزیکدان آلمانی کشف شد و به دلیل این که ماهیت آن ناشناخته بود به این نام خوانده شد. برای تولید آن از لامپ مولد پرتو ایکس استفاده می شود. این لامپ شامل آند و کاتد است که دریک محفظه ی خلأ قرار دارد و می تواند پرتو مورد نیاز را تأمین کند. پرتو ایکس تابش الکترومغناطیسی با انرژی در محدوده ی ۱۰۰ الکترو ولت تا ۱۰۰ کیلو الکتروولت است، این پرتو می تواند به عمق ماده نفوذ کند و اطلاعاتی از توده ماده نشان دهد. در زمینه های کاربردی مختلف از پراش پرتو ایکس با طول موج در محدوده ی ۱-۳ آنگستروم استفاده می شود.

نحوه ی تشکیل طیف XRD

نمونه مورد نظر یک ترکیب معدنی یا پلیمر است، اگر نمونه پودری باشد معمولا بین ۵-۳ گرم از ماده استفاده می شود و هم چنین نمونه می تواند به صورت یک فیلم نازک باشد در هرصورت نمونه مورد نظر را در محل خود گذاشته، پس از برخورد پرتو X به الکترون های ماده، باعث نوسان اتم ها و تابش پرتو X به اطراف می شود. اگر پرتو های پراکنده شده با هم جمع شوند موج برآیند پدید می آید. دراین حالت طیف مشخصی از پرتو X  تولید می شود و سپس آشکارساز سیگنال آن را پردازش و به مانیتور منتقل کرده تا نتایج حاصل نمایش داده شود. طیف حاصل از ترکیبات معدنی به خاطر بلورینگی بالا از وضوح بیش تری برخوردار است.

رابطه ی براگ

قانون براگ یکی از مهم ترین قوانینی است که برای تفسیر داده های حاصل ازپراش پرتو X استفاده می شود. در شکل زیر صفحات بلوری نشان داده شده است، اگر فاصله بین دو صفحه را d در نظر بگیریم کلیه پرتوهایی که به صفحه ی اول برخورد می کند، به دلیل طی مسافت یکسان، هم دیگر را تقویت می کنند. اگراختلاف فاصله پرتو تابیده به لایه دوم و اول را برابر با مضربی از ƛ در نظر بگیریم، مسافت طی شده توسط پرتو منعکس شده از لایه دوم برابربا ۲dsinƟ می شود:

n ƛ=۲dsinƟ

  1. sinƟ≤۱
  2. Ɵ؛ زاویه پراکنش
  3. d؛ فاصله بین لایه های کریستال
  4. ƛ؛ طول موج پرتو X (در حد آنگستروم)
  5. n=1؛ ضریب بازتابش

                      شکل ۲- قانون براگ

روش های پراش

پراش هنگامی ایجاد می شود که قانون براگ d sinθ=nλ۲ برقرار باشد. اجرای قانون براگ را می توان به وسیله روش های مختلفی هم چون لاوه، بلور دورانی ، پودری و پراش سنجی اعمال کرد که در این مقاله به اختصار به بررسی روش پر کاربرد پودری پرداخته می شود:

پراش پودری پرتو ایکس

یکی از روش های متدوال برای مشخصه یابی مواد پراش پودری پرتو ایکس می باشد. همان طور که از نام آن پیداست نمونه معمولاً به صورت پودر و شامل دانه های خالص از مواد تک بلور می باشد. این روش به طور گسترده برای بررسی ذرات در سوسپانسیون های مایع و جامدات پلی کریستال کاربرد دارد. موقعیت و شدت قله ها و پیک های حاصل از نمونه برای شناسایی ساختار یا فاز مواد مورد استفاده قرار می گیرند. به عنوان مثال خطوط پراش گرافیت متفاوت از الماس است در حالی که هردو از اتم های کربن ساخته شده اند.
داده های حاصل از پراش پودری را می توان با روش انتقال یا انعکاس جمع آوری نمود. برای نمونه های که به صورت جامد هستند معمولا پراش انعکاسی و برای نمونه های که مایع هستند پراش به صورت انتقال بررسی و آنالیز می شود.
همان طور که در زیر نشان داده شده است :

                                                                                                     الف- پراش انتقالی                                                      ب- پراش انعکاسی

شکل ۳- شماتیکی از نحوه ی پراش پرتو ایکس

  • درآنالیز تصاویر حاصل از پراش پرتو ایکس با توجه به موقعیت پیک ها ،شدت و پهنا و شکل آن ها اطلاعات مهمی از ساختار مواد را بدست آورد.

شکل ۴- الگوی پراش پودری پرتو ایکس از نمونه K2TaO6

نتایج حاصل ازآزمون XRD

  • تعیین نوع کریستال ها
  • شناسایی مواد کریستالی نامعلوم
  • تعیین جهت گیری تک کریستال ها
  • تشخیص نوع سل های واحد موجود در ساختار نمونه و اﻧﺪازه ﮔﻴﺮی اﺑﻌﺎد آن
  • نسبت میزان فاز کریستال به فاز آمورف برای پلیمرهای نیمه بلورین
  • ﺑﺮرﺳﻲ ﻣﻮاد ﻛﺎﻧﻲ ﺑﺎ ﻻﻳﻪ ﻫﺎی رﻳﺰ ﻣﺎﻧﻨﺪ ﺧﺎک رس
  • اندازه گیری ضخامت، استحکام ودانسیته فیلم
  • اندازه گیری تنش های باقیمانده

مزایای پراش اشعه X

  • تکنیکی کم هزینه، پرکاربرد وسریع دربررسی ساختار ماده
  • روشی غیرمخرب
  • آماده سازی نمونه بسیار ساده

معایب اشعه X

  • ماده باید ساختار کریستالی داشته باشد
  • رزولوشن و قدرت تفکیک پایین نسبت به پراش الکترونی

پراش پرتو ایکس ابزاری قوی برای مطالعه ساختارهای پلیمری است، برای اندازه گیری فواصل بزرگ تر از مقیاس اتمی از SAXS و WAXD که از خانواده XRD هستند استفاده می شود.

پراکندگی پرتوایکس با زاویه کوچک (SAXS)

با این روش می توان توزیع اندازه ذرات یا پراکنش حفره ها در مواد بلوری و درشت مولکول هایی مانند پلیمر را بررسی نمود. الگو های SAXS اطلاعاتی درباره ی سایز کلی و شکل می دهند و هم چنین برای تعیین ساختار های نمونه در ابعاد نانو کاربرد دارند.

  • ذرات در سایز نانو بین ۱۰۰-۱ نانومتر به طرف زوایای کوچک Ɵ پراش می یابند
  • بازه زاویه θ برای Small حدود ۰-۵

پراکندگی پرتوایکس با زاویه بزرگ (WAXS)

اتم ها و فواصل بین اتمی به طرف زاویه های بزرگ پراش یابند، الگوهای WAXS اطلاعاتی از حالت فازی، تقارن کریستال و ساختارهای مولکولی می دهند.

  • بازه زاویه θ برای Wide پهن تره. حدود ۰-۵۰

کاربرد XRD

  • آنالیزمواد نانو کامپوزیتی

از طیف XRD برای بررسی خواص نانو مواد و کامپوزیت ها استفاده می شود. به عنوان مثال کامپوزیت های تقویت شده با ذرات معدنی رس با توجه به ساختار لایه ای سیلیکات با استفاده از این روش می توان اطلاعات خوبی در زمینه فواصل بین لایه ها بدست آورد.

  • پلیمرها

با استفاده از پراش اشعه ی X می توان درصد بلورینگی در پلیمرهای شبه کریستالی و میزان جهت گیری ساختاری آن ها را به دلیل حضور زنجیر های بلند ارزیابی نمود که با حصول این اطلاعات می توان به خواص پلیمرها مانند پایداری حرارتی و استحکام مکانیکی دست یافت. برخلاف جامدات معدنی که ساختاری صد درصد بلورین دارند پلیمرها می توانند  به صورت های مختلفی باشند به عنوان مثال ترکیبات با درصد بالای بلورینگی، شبه کریستال، میکرو کریستال و آمورف که در هر مورد شکل پیک های مختلفی ظاهر می شود. بنابراین با توجه به پیک حاصل شده می توان به ساختار ماده پی برد. همان طور که مشاهده می شود، ساختار های کریستالی پیک هایی تیز دارند و هرچه از حالت کریستالی به سمت شبه کریستال و آمورف می رویم با پیک های پهن تری روبرو می شویم.

الف- پلی پروپیلن (شبه کریستال)

ب- سلولز (میکروکریستال)

ج- پلی کربنات (آمورف)

شکل ۵- پیک حاصل از نمونه ها با ساختار مختلف

الف – پلی پروپیلن (شبه کریستال ) ب-سلولز (میکرو کریستال) ج-پلی کربنات (آمورف)

                                                                             (الف)                                                            (ب)

 شکل ۶- طیف حاصل ازپراش پرتو X

 الف – ترکیبات معدنی ب- پلیمرهای نیمه بلوری

تعیین درصد بلورینگی با استفاده از طیف حاصل از XRD

پراش پرتو ایکس یک روش ابتدایی برای تعیین درصد بلورینگی پلیمرها می باشد. ازآن جا که نمونه های پلیمری از فاز آمورف و کریستال تشکیل شده اند درصد کریستالی مواد به این صورت تعیین می شود.

  • تعیین درصد کریستالی نمونه های پلیمری با استفاده از شدت پیک حاصل از  مناطق آمورف وکریستالی

شکل ۷- پیک حاصل ازمناطق آمورف و کریستالی نمونه پلیمری   

  • تعیین درصد کریستالی نمونه های پلیمری با استفاده از سطح زیر نمودار مناطق آمورف وکریستالی

شکل ۸- پیک حاصل از نمونه پلیمری (شبه کریستال )   

 

  • شدت پراکنش فاز آمورف
  • شدت پراکنش فاز زمینه
  • شدت پراکنش فازبلوری
  • K=1

در مقاله بعدی به بررسی تخصصی تر این آنالیز پرکاربرد می پردازیم.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *