Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Přednáška 4 Analytické metody používané v nanotechnologiích XRD.

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "Přednáška 4 Analytické metody používané v nanotechnologiích XRD."— Transkript prezentace:

1 Přednáška 4 Analytické metody používané v nanotechnologiích XRD

2  Krystalová struktura ◦ Historie ◦ Základní pojmy krystalografie ◦ Symetrie a operace symetrie  Rentgenová difrakce ◦ RTG záření ◦ Difrakce na krystalických látkách ◦ Difrakční metody

3

4  Kristallos ◦ Řeckého původu ◦ Led, ledový kus  1611 ◦ Johann Kepler ◦ Hexagonální souměrnost sněhu ◦ Geometrie nejtěsnějšího uspořádání tuhých koulí ◦ Počátek teorie krystalové mřížky  1669 ◦ Niels Stensen ◦ Krystaly křemene ◦ Různé krystaly stejné úhly mezi hranami

5  1782 ◦ René J. Haüy ◦ Zakladatel krystalografie ◦ Vnější tvar krystalů je důsledek vnitřní stavby  1830 ◦ F. C. Hessel ◦ 32 symetrických oddělení krystalů ◦ Matematická analýza  1839 ◦ W. H. Miller ◦ Popis krystalové plochy nejmenším vzájemným poměrem reciprokých úseků

6  1850 ◦ Auguste Bravais ◦ Body mohou být v prostoru vzhledem k symetrii uspořádány pouze čtrnácti způsoby ◦ 14 Bravaisových (prostorových) mřížek  1891 ◦ E. S. Fedorov, A. Schoenflies, W. Barlow ◦ 230 různých prostorových grup – symetrické možnosti uspořádání bodů  1895 ◦ Wilhelm Conrad Röntgen ◦ Paprsky X ◦ 1901 – Nobelova cena za fyziku (první)

7  1912 ◦ Max Theodor Felix von Laue ◦ První rentgenová difrakční metoda ◦ W. H. Bragg, W. L. Bragg  Matematické vyjádření podmínek difrakce RTG na krystalech  1921 ◦ P. P. Ewald ◦ Difrakce na základě reciproké mřížky

8  Věda zabývající se studiem krystalů  Vztah k fyzice, chemii, matematice, mineralogii, ad.  Látky ◦ Krystalické – stavební částice pravidelně uspořádány ◦ Amorfní – stavební částice nepravidelně uspořádány  Krystal ◦ homogenní anizotropní diskontinuum ◦ Látka s malým počtem druhů stavebních jednotek a malým počtem typů jejich konfigurací

9  Krystalová mříž ◦ Množina bodů, které mají stejně orientované okolí ◦ Všechny uzly ekvivalentní fyzikálně i chemicky ◦ Geometrická abstrakce – popis translační symetrie krystalu ◦ Trojrozměrná mříž  Jednoznačný popis – 3 lineárně nezávislé vektory  Rovnoběžnostěn  Délky hran: a, b, c  Úhly: α (b,c), β (a,c), γ (a,b)  Mřížkové parametry  Mříž je nekonečná – souřadná soustava

10  Millerovy indexy ◦ Nutnost jednoznačně a stručně charakterizovat určitou krystalovou plochu ◦ h, k, l ◦ Hodnoty v kulaté závorce ◦ Symbolizace krystalové plochy a její polohy v prostoru ◦ Osnovy rovin definované jako převrácené hodnoty úseků, které vytíná daná rovina na osách ◦ Jedna trojice – celá množina stejně orientovaných rovin ◦ Záporný index označen pruhem nad indexem

11  Struktura je dána konkrétním rozmístěním atomů v prostoru  Všechny stálé struktury vykazují periodicitu  Strukturu lze vytvořit opakováním základního motivu  Každá konkrétní krystalová struktura poskytuje nezaměnitelný difrakční obraz

12  Základní buňka mřížky ◦ Elementární buňka ◦ Základní motiv, který se v krystalu opakuje ◦ Uzavřený rovnoběžnostěn ◦ Základní stavební jednotka mříže ◦ Výběr se řídí Bravaisovými pravidly  Symetrie základní buňky musí být shodný se symetrií celé mřížky  Počet pravých úhlů v základní buňce musí být maximální  Při dodržení předchozích musí být objem základní buňky minimální

13  Dělení buněk ◦ Počet mřížkových bodů připadajících na objem ◦ Primitivní buňka (P, R): uzly v 8-mi vrcholech, každý jí patří 1/8, (1 MB) ◦ Bazálně centrovaná b. (C): uzly ve vrcholech a středech dvou protilehlých stran (2 MB) ◦ Tělesně (prostorově) centrovaná b. (I): vrcholy a tělesové úhlopříčky (2 MB) ◦ Plošně centrovaná b. (F): vrcholy a středy stěn (4 MB)

14  1809 ◦ C. S. Weiss ◦ 7 krystalových soustav

15  Auguste Bravais ◦ 14způsobů uspořádání ◦ Buňka se stejným uspořádáním jako celá mříž ◦ Každou krystalovou strukturu lze popsat jednou z Bravaisových buněk

16  Každá krystalová struktura vykazuje symetrii  Operace symetrie: obraz je nerozlišitelný od původního stavu  Prvek symetrie: množina bodů, vůči níž se operace symetrie provádí a je vůči operaci symetrie neměnná  Typy: bodové, prostorové symetrie

17

18  Vlnová délka RTG záření je srovnatelná s meziatomovými vzdálenostmi v krystalech  Elmag záření o velmi krátké vlnové délce ( m)

19  Pronikavost (roste s frekvencí)  Schopnost ionizace prostředí  Luminiscenční účinky  Fotochemické účinky  Biologické účinky

20  Rentgenová lampa ◦ Katoda: W ◦ Anoda: Cu, Mo, Co, Fe, Cr ◦ Urychlení elektronů ◦ Vákuum ◦ Beryliová okénka ◦ 98% energie – přeměna na teplo ◦ Konstantní intenzita

21  Synchrotron ◦ Výkonnější ◦ Kruhový oběh elektronů v prstenci ◦ Pouze spojité spektrum ◦ Téměř stoprocentně polarizované ◦ Zanedbatelná divergence

22  Spojité (brzdné) záření ◦ Kinetická energie elektronu vyzářena ve formě spojitého spektra  Charakteristické záření ◦ Charakterizuje kov anody ◦ Čárové spektrum ◦ Uvolnění elektronu z vnitřní el. hladiny atomu

23  Charakteristické záření ◦ Klasifikace v souladu s energetickými hladinami ◦ V RTG strukturní analýze výhradně záření série K ◦ Dále α,β – podle původu elektronu

24  Požadavek na monochromatické záření  Absorpční filtry ◦ Absorpční koeficient látek závisí na vlnové délce ◦ Absorpční hrany ◦ Závislost na energetických hladinách atomů ◦ Tabulky  Krystalové monochromátory ◦ Rovinný nebo zakřivený povrch ◦ Buď v primárním nebo difraktovaném svazku ◦ Striktně monochromatické záření ◦ Značné snížení intenzity

25  Využití účinků RTG záření ◦ Ionizace plynů (ionizační komora, proporcionální detektor, Geiger-Müllerův detektor) ◦ Luminiscenční účinky (Scintilační detektor) ◦ Chemické účinky (polovodičové detektory) ◦ Fotografické účinky (Fotografické filmy)

26  Jedny z nejstarších  Evakuovaná trubice naplněná plynem  2 elektrody s konstantním napětím  Ionizace plynu – ionizační proud  Podle velikosti pulsu: ◦ Ionizační komory  koeficient plynového zesílení A = 1 ◦ Proporcionální detektor  Koeficient plynového zesílení A = 10 2 – 10 4  Rozlišení pulsů od fotonů různých energií ◦ Geiger-Müllerův detektor  Koeficient zesílení A = 10 8  Lavinová reakce

27  Postupné měření jednotlivých difrakčních linií  Scintilační prostředí (luminofor) ◦ Anorganické soli s příměsí jednomocného Tl  Fotonásobič ◦ Fotony uvolňují elektrony z fotokatody  Temický šum

28  Funkce podobná ionizačním detektorům  Plyn nahrazen polovodičem  Nižší ionizační potenciál  Dokonalejší energetické rozlišení

29  Nejstarší typ detekce  Dnes omezeně využívaná metoda  Celková informace o prostorovém rozložení difraktovaného záření  Malá citlivost a rozlišovací schopnost  Minimální finanční náklady

30  Současný záznam velkého množství difrakcí  Mozaikové detektory ◦ Plošná nebo lineární soustava miniaturních detektorů ◦ Proporcionální nebo polovodičové  Multielektrodový proporcionání PCD  Zobrazovací desky ◦ Paměťové luminofory ◦ Latentní obraz ◦ Snímání laserovým paprskem

31 RTG záření Hmota Rozptýlené z.Přeměněné z. Prošlé z. Koherentní rozptyl DIFRAKCE Nekoherentní rozptyl COMPTONŮV JEV ABSORPCE TEPELNÉ ZÁŘENÍ FLUORESCENČNÍ RTG Z. ELEKTRONOVÁ EMISE AUGEROVY ELEKTRONY

32  Intenzita nepřímo úměrná hmotnosti částic  K RTG difrakci dochází především na elektronech  Koherentní rozptyl ◦ Pružný ◦ Elektrony se rozkmitají stejnou frekvencí, jakou má primární záření ◦ Rozkmitané elektrony jsou zdrojem sekundárního záření  Výsledkem difrakce je soubor difraktovaných vln ◦ Šíří se od krystalu jen v určitých směrech ◦ Prostorové rozložení – difrakční obraz krystalu

33  Odraz RTG záření na strukturních rovinách krystalu ◦ Svazek rovnoběžných paprsků ◦ Vlnová délka λ ◦ Dopad pod difrakčním úhlem Θ ◦ K difrakci dojde tehdy, pokud se paprsek odražený od jedné roviny zpozdí vůči paprsku odraženému od vedlejší roviny o celý násobek vlnové délky (n, řád difrakce) ◦ Interference vlnění

34

35  Laueho rovnice ◦ Popis difrakce jako ohybu záření na trojrozměrné (prostorové) mřížce ◦ Interferenční zesílení nebo zeslabení ◦ 3 Laueho rovnice pro 3 rozměry  Ewaldova konstrukce ◦ Grafické zobrazení Braggovy podmínky pomocí reciproké mříže ◦ Základem geomerické konstrukce je tzv. Ewaldova koule

36  Faktory ovlivňující intenzitu difraktovaného záření ◦ Strukturní faktor  Vliv počtu, druhu a rozmístění atomů ◦ Kombinovaný Lorentzův-polarizační faktor  Ne striktně monochromatické a paralelní záření ◦ Absorpční faktor  Absorpce krystalem ◦ Teplotní faktor  Tepelné kmity atomů ◦ Extinkční faktor  Vícenásobná difrakce v různých vrstvách krystalu

37  XRD  Měření poloh a intenzit difrakcí  Dělení: ◦ Podle použitého záření  Polychromatické  Monochromatické ◦ Podle způsobu detekce  Filmové  Nefilmové ◦ Podle vzorku  Polykrystalické  Monokrystalické

38  Žádná ze současných metod není univerzální  Laueho metoda ◦ Nejstarší ◦ Svazek vycloněný kruhovou clonkou dopadá na monokrystal v goniometrické hlavičce ◦ Difraktované záření se detekuje rovinným filmem před a za vzorkem ◦ Intenzivní centrální stopa a velký počet skvrn ◦ Rozdělení krystalů do 11 Laueho grup

39  Debye-Scherrerova metoda ◦ Monochromatický RTG svazek ◦ Polykrystalický stacionární nebo pohyblivý vzorek ◦ Prášek – skleněné vlákno (amorfní lepidlo) nebo kapilára ◦ Válcový vzorek uprostřed komory ◦ Válcový film na odvodu komory – difrakční linie, kroužky

40  Práškové difraktometry nefilmové ◦ Nejčastěji Bragg-Brentanovo uspořádání ◦ V hlavní ose umístěn rovinný vzorek ◦ Detektor záření se pohybuje dvojnásobnou úhlovou rychlostí než vzorek ◦ Hlavní součásti  Goniometr – zajištění pohybu detektoru nebo detektoru a vzorku vůči primárnímu svazku  Zdroj záření  detektor

41  Debye-Scherrerova metoda ◦ Možnost rotace vzorku v rovině povrchu ◦ Optimalizace podmínek – clony primárního a difraktovaného svazku ◦ Výhody  Rozlišovací schopnost  Rychlost ◦ Nevýhoda  Cena

42  Aplikace polykrystalických metod ◦ Kvalitativní XRD fázová analýza ◦ Kvantitativní XRD fázová analýza ◦ Přesné měření mřížkových parametrů (zpřesnění struktury) ◦ Měření velikosti krystalitů a poruch struktury ◦ Měření pružného napětí v povrchových vrstvách kovů ◦ Studium textury (přednostní orientace krystalů)

43  Především intenzity difrakcí  Získávání dat pro určení struktury  Metody rotační a oscilační  Weissenbergova a precesní metoda  Monokrystalové difraktometry

44

45 Pro dnešek vše


Stáhnout ppt "Přednáška 4 Analytické metody používané v nanotechnologiích XRD."

Podobné prezentace


Reklamy Google