Røntgendiffraktion (XRD): Forståelse af materialestruktur

Røntgendiffraktion (XRD) er en teknologi, der leverer detaljeret information om den kemiske sammensætning og krystallografiske struktur af et naturligt eller menneskeskabt objekt. Det virker ikke på princippet i et typisk røntgen i at afsløre de indre dele af et objekt. Snarere skyder en XRD-enhed røntgenstråler på et prøveobjekt og måler vinklerne og retningen af strålenes diffraktion på atomært niveau. Ved denne måling kan videnskabsmænd vurdere den kemiske sammensætning og krystallografiske struktur af objektet under undersøgelse.

Pulverdiffraktion

• Pulver XRD kan være den mest almindelige teknik for røntgendiffraktion. Prøveobjektet består af korn af materialet under analyse. Pulverdiffraktion kan også bruges til at studere prøveobjekter i flydende suspensioner. Begrebet "pulver" refererer ikke til et pulverprøve, men snarere til at de krystallinske domæner er tilfældigt orienteret i prøveobjektet. Resultaterne fra et pulver XRD består af positionerne og intensiteterne af toppe, der identificerer den underliggende struktur af prøveobjektet. Ved dette middel vil diamant eller grafit producere forskellige resultater, selvom begge består af kulstof på atomært niveau.

Tyndfilm-diffraktion

• Tyndfilm-diffraktion er ikke så meget en enkelt XRD-teknik som en samling af teknikker til at analysere tyndfilm-prøver dyrket på substrater. Denne teknik bruges ofte i forskning og udvikling af mikroelectroniske og optoelektroniske enheder. Denne metode er især nyttig til at måle præcise gitterkonstanter, som kan hjælpe med at måle strukturel og residual spænding i et materiale.

XRD-analyseteknikker

• Kvalitativ analyse af XRD-målinger identificerer den underliggende struktur af et prøveobjekt ved at sammenligne det med data indsamlet fra lignende materialer. Det kræver præcise målinger af top-positioner og intensiteter for at gøre en præcis bestemmelse af diffraktionssystemet. Kvantitativ analyse af XRD-data måler den underliggende struktur af prøver, der ikke bevarer en konstant form, såsom multifas-prøver. Med andre ord forsøger det at vurdere egenskaberne af et materiale, hvis struktur altid ændrer sig gennem et antal faser. De mest effektive metoder til kvantitativ evaluering er meget komplekse og kræver kraftfulde computere til beregning. Heldigvis findes der flere billige versioner af XRD-analyse-software, selvom de måske ikke er så "bruger-venlige" som kommercielle.

Anvendelse: Faseidentificering (ICDD PDF-database), krystallitstørrelse (Scherrer-ligning), mikrospænding, tekstur/præfereret orientering, kvantitativ faseanalyse (Rietveld-refinement), tyndfilm-epitaksi, in-situ studier (temperatur, tryk, elektrokemisk).