تحلیل XRD
ویژگی های فیزیکی و شیمیایی مواد به مواد اولیه مورد استفاده و همچنین ریزساختار یا ساختار میکروسکوپی مواد بستگی دارد. بنابراین، موضوع آنالیز و شناسایی مواد از اهمیت ویژه ای برخوردار است. امروزه، شناسایی و آنالیز مواد به روش های مختلفی انجام می شود. یکی از این روش ها، روش آنالیز پراش اشعه ایکس (XRD) (X-Ray Diffraction) است. XRD تکنیکی قدیمی و پرکابرد در بررسی خصوصیات کریستالها میباشد. روش XRD برای تعیین عموم کمیات ساختار کریستالی از قبیل ثابت شبکه، هندسه شبکه، تعیین کیفی مواد ناشناس، تعیین فاز کریستالها، تعیین اندازه کریستالها، جهت گیری تک کریستال، استرس، تنش، عیوب شبکه وغیره، قابل استفاده میباشد.
پراش اشعه ایکس، نخستین بار توسط ویلیام هنری براگ و پسرش ویلیام لورنس براگ جهت بررسی خواص ساختاری کریستال ها مورد استفاده قرار گرفت که جایزه نوبل فیزیک در سال 1915 را برای آنها به همراه داشت.
اساس روش آنالیز XRD
بر اثر برخورد اشعه ایکس به اتم های یک ماده، الکترون های آن تحریک شده و نوسان میکنند و از آنجا که ذرات باردار شتاب دار از خود امواج الکترومغناطیس ساطع می کنند، این نوسانات، باعث تابش امواج جدیدی می شوند در نتیجه اشعه ایکس ورودی را در اطراف اتم پراکنده می کنند. اشعه های پراکنده شده در صورتی یکدیگر را تقویت می کنند که هم فاز باشند (فاصله طی شده توسط اشعه های پراکنده شده مضرب صحیحی از طول موج اشعه ایکس تابیده شده باشد). در غیر اینصورت اشعه ها یکدیگر را تضعیف و حذف میکنند و اختلاف مسیر ایجاد شده، ایجاد اختلاف فاز می کند. تقویت یا تضعیف اشعه ها توسط یکدیگر، بستگی به اختلاف فاز پدید آمده خواهد داشت. در مواد آمورف اشعه ها یکدیگر را تضعیف می کنند و پدیده پراش اتفاق نمی افتد ولی اگر اتم ها به صورت منظم و با فاصله های مشخص کنار هم قرار گیرند (ماده کریستالی باشد)، اختلاف مسیر طی شده مضربی از طول موج اشعه ایکس بوده و پراش صورت می گیرد.
nλ=2dSinθ
این معادله به رابطه براگ معروف است. در این رابطه، λ طول موج منبع، d فاصله صفحات کریستال، θ زاویه پرتو فرودی و n یک عدد صحیح است. یک طیف XRD با رسم شدت برحسب θ به دست می آید. با تغيير θ و معلوم بودن طول موج منبع λ، در هر لحظه d به دست می آید.
دستگاهوری آنالیز XRD
منبع اشعه ایکس
در آنالیز XRD معمولاً به یک منبع اشعه ایکس تکفام (لامپ تولید پرتو) نیاز است که در شیوههای متداول از لوله اشعه ایکس (x-ray tube) استفاده میشود. اشعه ایکس به صورت واگرا با زاویه بر روی نمونه مجهول می تابد و پرتو پراشیده به صورت همگرا با زاویه نسبت به نمونه، پس از عبور از اپتیک، وارد آشکار ساز می شود.
- پراش سنج
دستگاه پراش اشعه ایکس، از یک دایره فلزی به نام پراش سنج تشکیل شده است که نمونه مورد نظر در مرکز آن قرار گرفته و بر روی یک سکوی قابل چرخش قرار دارد که این سکو با چرخاندن نمونه به دور محور عمود بر صفحه کاغذ باعث می شود تا نمونه مجهول زوایای مختلفی نسبت به پرتو اختیار کند.
- اپتیک
پرتوهای پراشیده، قبل از ورود به آشکارساز لازم است از دریچه هایی عبور کنند که فلزی بوده و پرتوهای اولیه و ثانویه را متمرکز و هدایت می کنند. لازم است پرتو ایکس در هنگام خروج و قبل از ورود به آشکارساز به وسیله ی یک صافی فیلتر شوند تا پرتو ایکس نیز تک رنگ (تک فام) شود و پرتوهای فلوئورسانس تابیده شده از نمونه که مزاحم پراش سنج هستند حذف شود و به آشکارساز وارد نشوند.
- آشکارساز
آشکارساز و دریچه های دریافت کننده پرتو ثانویه، بر روی قسمت های حمل کننده که می تواند به دور محور خود بچرخد قرار گرفته اند. زاویه بین پرتو ورودی به آشکار ساز و پرتو ابتدایی است و بنابراین سیستم حمل کننده، بر روی مسیر درجه بندی شده ای با سرعت ۲ برابر سرعت گردش نمونه مجهول میچرخد.
پرتو دریافتی در آشکارساز به یک جریان الکتریکی متناسب تبدیل می شود. سپس، یک سیستم تثبیت کننده، تغییرات شدت پرتو پراشیده را بر حسب زاویه رسم می کند. آنچه که در پایان به عنوان الگوی پراش، از پراش سنج به دست می آید، تغییر شدت پرتو بر حسب زاویه است.
تحلیل داده ها
- تحلیل کیفی دادهها
مواد مختلف به دلیل چیدمان و نظمهای متفاوت اتمی دارای الگوی پراش متفاوتی هستند. پس الگوی پراش هر ترکیب، منحصر به فرد است. در یک مادهی یکسان دارای فازهای کریستالی مختلف (مثلاً کوارتز و شیشه که فازهای مختلف SiO2 هستند)، نیز الگوهای پراش متفاوت میباشد. بنابراین، با مطالعهی زاویهای که پیکهای XRD در آن تشکیل میشوند و شدت نسبی هر پیک، میتوان نوع مواد و فاز آنها را به صورت کیفی شناسایی کرد. مواد آمورف (بیشکل) مانند شیشه، پیکهای مشخص تشکیل نمیدهند، در حالیکه مواد بلوری که ساختار منظمی دارند، پیکهای مشخص در زوایای مشخص ایجاد میکنند.
- تحلیل کمی دادهها
به منظور آنالیز کمی، روشهای مختلفی وجود دارد که به مرور زمان گسترش پیدا کردهاند. سادهترین و ابتداییترین روش، روش شرر است. روشهای پیشرفتهتر دیگری مانند ویلیامسون- هال و وارن- آورباخ نیز وجود دارند.
به منظور تحلیل کمی، ابتدا پیک های ماده را مشخص کرده، شدت و زاویهی هر پیک از طیفهای به دست آمده، استخراج میشود. با توجه به مشخصات، اکنون میتوان با استفاده از قانون براگ، فاصلهی بین صفحات کریستالی (d) را محاسبه کرد. با توجه به قانون براگ میتوان دریافت که هرچه پیک در زاویهی کمتر باشد، فاصلهی صفحات بیشتر است.
مزایای آنالیز XRD
- آنالیز XRD تکنیکی کم هزینه و پر کاربرد میباشد. علت این امر، اصول فیزیکی سادهی این شیوه میباشد. اطلاعات بدست آمده از پراش اشعه ایکس که شامل زاویه ی ماکسیمم شدت اشعه پراشیده شده، شدت اشعه پراشیده شده در هر زاویه و پهنای هر ماکسیمم میباشد وابسته به طیف وسیعی از خصوصیات و کمیات کریستالها میباشد. این امر، کاربرد فراوان XRD را به همراه دارد.
- از جمله محاسن XRD عدم نیاز به خلأ میباشد که باعث کاهش هزینهی ساخت میشود و آن را در مکانی برتر نسبت به تکنیکهای الکترونی قرار میدهد.
- XRD تکنیکی غیر تماسی و غیر مخرب میباشد و نیاز به آماده سازی سخت و مشکل ندارد.
معایب آنالیز XRD
از معایب XRD میتوان به رزلوشن وتفکیک پایین وشدت کم اشعه پراشیده شده نسبت به پراش الکترونی نام برد. شدت اشعه الکترونی پراشیده شده درحدود 108 بار بزرگتر از اشعه XRD می باشد. نتیجه این امر، نیاز به استفاده از نمونه بزرگتر و در نتیجه تعیین اطلاعات به صورت میانگین در XRD میباشد.
کاربردهای آنالیز XRD
- تعیین فاز: اساسی ترین کابرد روش آنالیز XRD، تعیین فاز است. همانطور که قبلاً گفته شد، مکان قله ها (زاویه قله ها و شدت قله ها) حاوی اطلاعاتی از نمونه هستند که با استفاده از این اطلاعات می توان ساختار اتمی و فاز صفحات پراش کننده را تعیین کرد و از این طریق به جنس و ساختار نمونه پی برد.
- بلورینگی: می دانیم در هیچ ماده ای کریستال کامل نیست و مواد به صورت ترکیبی از مواد کریستالی و آمورف وجود دارند. در نمودار XRD، حوزه های آمورف، قله های پهن و حوزه های کریستالی، قله های باریک دارند. از نسبت شدت این قله ها می توان برای تعیین بلورینگی استفاده کرد.
- اندازه گیری حوزه های کریستالی: پهنای قله ها حاوی اطلاعاتی از نمونه است. اندازه حوزه کریستالی و میکرو کرنش (کرنش کوتاه برد که در اثر عیوب شبکه ایجاد می شود) عوامل مؤثر در پهنای قله ها هستند. بدیهی است که هرچه حوزه کریستالی بزرگتر و عیوب شبکه کمتر باشد، پهنای قله ها کمتر است. با استفاده از روابط موجود و تجزیه و تحلیل نمونه می توان به اندازه حوزه کریستالی پی برد.
- تانسور انبساط: برای تعیین خصوصیات نمونه به عنوان تابعی از دما و یا فشار می توان نمونه را در معرض دما یا فشار کنترل شده قرار داد و همزمان اطلاعات حاصل از پراش اشعه ایکس (XRD) را بررسی کرد. در این حالت، در XRD تجهیزات مورد نظر گرمایی یا تغییر فشار اضافه شده و نمونه در حین پراش و بررسی، تحت گرما یا فشار قرار می گیرد. با بررسی نمونه در زوایا و شرایط متفاوت می توان تانسور انبساط را تعیین کرد .
- تحلیل بافت: توزیع غیر تصادفی صفحات و ارجحیت جهتی خاص در نمونه باعث تغییر شدت قله ها می شود. به این توزیع غیر تصادفی صفحات، بافت می گویند. با مقایسه شدت قله ها با حالت کاملاً تصادفی می توان به توزیع غیر تصادفی صفحات دست یافت. بافت در خصوصیات مکانیکی همچون کشش و مقاومت تأثیر زیادی دارد.
- تنش پسماند: یکی از پرکابردترین تکنیکها جهت بررسی تنش پسماند، به علت غیر مخرب بودن، آنالیز XRD است. تنش پسماند باعث تغییر فاصله صفحات و در نتیجه، زاویه پراش می شود. اثر تنش هم برروی زاویه پراش و هم پهنای قله ها است. با بررسی و تحلیل نمودار می توان تنش پسماند را تعیین کرد.
تحلیل و تفسیر نتایج آنالیز XRD
آنالیز پراش پرتو ایکس (X-ray Diffraction) (XRD) یکی از آنالیز های پرکاربرد در حوزه شناسایی ترکیبات و فازهای موجود در مواد و زیر مجموعه آنالیزهای طیف سنجی می باشد. در آنالیز XRD، پرتوهای ایکس با طول موج های بسیار کوتاه در محدوده فواصل اتمی به ماده برخورد می کند و در نتیجه می توان ساختارهای اتمی را با استفاده از این آنالیز مطالعه کرد. الگوی تفرق هر فاز متشکل از تعدادی پیک است که چینش این پیک ها مانند اثر انگشت نشان دهنده آن است. در صورتی که برای تعیین فاز نمونه خود و دیگر تحلیل های روش XRD نیاز به کمک متخصصین ما را دارید، درخواست خود را در همین صفحه ثبت نمایید.
خدماتی که برای تحلیل نتایج آنالیز XRD ارائه می گردد، به صورت زیر است:
شناسایی فازها (تعیین فاز نرم افزاری) : اصلی ترین کاربرد استفاده از آنالیز XRD، شناسایی فازهای بلوری مواد است. در صورتی که نیاز به شناسایی فازی دارید، می توانید از متخصصان سوراشیمی کمک بگیرید. اگر الگوی پراش بدست آمده پیچیده نباشد، این کار عموماً توسط نرم افزارها انجام می شود. با این حال ممکن است از طریق نرم افزار این کار امکان پذیر نباشد. تعداد ترکیبات زیاد در نمونه، همپوشانی پیک ها و عدم ظهور تعداد کافی پیک از هر فاز، کار را برای تحلیل دشوار ساخته و تفسیر آن نیازمند تجربه بالایی است. ممکن است برای تفسیر نتایج به آنالیزهای تکمیلی نیاز داشته باشید و یا تفکیک پیک ها صورت بگیرد. متخصصان سوراشیمی مشاوره لازم را در این خصوص به شما خواهند داد.
به صورت کلی خدمات بخش تعیین فاز به صورت زیر است:
تعیین کسر حجمی فازها
تعیین میزان بلورینگی
تعیین اندازه کریستالیت یا بلورک: روش های گوناگونی برای تحلیل الگوها و محاسبه اندازه کریستالیت وجود دارد. ساده ترین روش معادله شرر است. در سوراشیمی روش های دقیق تر و پیچیده تر نیز انجام می شود. این روش ها عبارتند از:
- تعیین اندازه دانه به روش شرر
تعیین پارامترهای کریستالوگرافی: الگوهای پراش دارای اطلاعات مختلفی از کریستالوکرافی فازهای موجود در مواد است. از این رو می توان به اطلاعات گوناگونی از ساختار بلوری مواد دست یافت. این اطلاعات به خصوص برای متالورژها می تواند مفید باشد. در این خصوص این خدمات انجام می شود:
- اندیس گذاری صفخات بلوری فازها
- تعیین پارامتر شبکه بلوری
حذف خطاهای دستگاهی: با حذف خطاهای دستگاهی، دقت تحلیل الگوها می تواند به میزان قابل توجهی در برخی روش ها افزایش یابد.
تعیین میزان کرنش های شبکه ای: از طریق تحلیل پروفایل تابع شدت پیک ها به وسیله روش ویلی هامسون – هال می توان اطلاعات مناسبی در خصوص کرنش های شبکه ای درمواد را بدست آورد.
تفکیک پیک های الگوی پراش
کاهش نویز و حذف بک گراند الگوی پراش: ممکن است به دلیل نویز زیاد الگوها پراش، پیک های کم ارتفاع به خوبی مشاهده نشوند. این امر به خصوص هنگامی که درصد فاز آمورف زیاد است، شدید تر است.
رسم نمودارها: اگر در خصوص رسم نمودارها به صورت مناسب جهت چاپ در نشریات نیاز به کمک داشتید، متخصصین سوراشیمی اماده کمک می باشند.
مشاوره تخصصی: آیا آنالیز XRD روشی مناسب برای هدف شما است؟ آیا نیاز به انجام روش های مکمل دیگری است؟ متخصصین سوراشیمی آماده ارائه مشاوره های تخصصی در این خصوص اند.
کلیه خدمات تحلیل بر اساس درخواست متقاضی می تواند به صورت زبان فارسی یا انگلیسی انجام شود.
تعرفه ها به شرح زیر می باشد:
تعیین فاز نرم افزاری : 100 هزار تومان
تعیین فاز نرم افزاری به همراه ارائه کریستالیت سایز به روش شرر : 160 هزار تومان
تعیین فاز نرم افزاری به همراه ارائه پارامتر شبکه : 160 هزار تومان
تعیین فاز نرم افزاری به همراه کریستالیت سایز به روش شرر و پارامتر شبکه : 240 هزار تومان
متقاضی محترم در صورت انتخاب خدمت تحلیل کریستالیت سایز و یا پارامتر شبکه در نظر داشته باشید که این مورد برای فاز غالب کریستالی گزارش خواهد شد و در صورت درخواست انجام برای فاز های دیگر می بایست هزینه اضافه تری را پرداخت نمایید.