بسم الله الرحمن الرحيم

بسم الله الرحمن الرحيم الْحَمْدُ لِلّهِ الَّذِي هَدَانَا لِهَـذَا وَمَا كُنَّا لِنَهْتَدِيَ لَوْلا أَنْ هَدَانَا اللّهُ (سوره اعراف آیه 43)

روي پرده خانه كعبه اين آيه از قران حك شده كه: نَبِّئْ عِبَادِي أَنِّي أَنَا الْغَفُــورُ الرَّحِـــيمُ بندگانم را آگاه كن كه من بخشنده مهربانم و من هنوز و تا هميشه به همين يك آيه دلخوشم ...

دانشگاه آزاد اسلامي واحد يزد روشهاي نوين مطالعه مواد دکتر محمود حاجي صفري استاديار گروه مهندسي مواد و متالورژي دانشگاه آزاد اسلامي واحد يزد

Basics of x-ray diffraction: XRD

مقدمه • در حدود 95درصد مواد جامد کریستالی اند و 5 درصد بقیه آمورف اند. • در اثر برخورد پرتو ایکس با یک فاز (ماده )کریستالی الگوی تفرق آن فاز بوجود می آید. • هال می گوید: هر جز یا بخش کریستالی یک الگوی پراشی را ایجاد میکند ،فاز های مشابه ،الگوی پراش یکسانی را ایجاد میکند. • هر فاز الگوی خودش را به طور مستقل از فاز های دیگر ایجاد میکند. • الگوی پراش مشخصه هر فاز است ،مثل اثر انگشت.

مقدمه • مواد کریستالی توسط نظم تکرار شونده ی اتم ها توصیف میشوند. The (200) planes of atoms in NaCl The (220) planes of atoms in NaCl The unit cell is the basic repeating unit that defines a crystal. Parallel planes of atoms intersecting the unit cell are used to define directions and distances in the crystal. These crystallographic planes are identified by Miller indices.

معرفي آزمون X-Ray Diffraction: XRD • روش مستقیمی است برای تعیین نوع فاز ها وساختار بلورین مواد. • تا کنون الگوی تفرق 25000ماده تک فاز آلی،50000ماده تک فاز غیر آلی جمع آوری شده است. • بنابراين برای شناسایی فاز ماده مورد نظر الگوی بدست آمده از آن را با الگوهای جمع اوری شده قبلی مقایسه میکنیم. • آنالیزیست کیفی ولی میتوان اطلاعات کمی هم ازآن استخراج کرد.

Basic Features of Typical XRD Experiment • پرتو ایکس تک رنگ به نمونه برخورد میکند و تفرق ايجاد شده در شناساگر جمع و مورد مطالعه واقع می‌شود.

Basic Features of Typical XRD Experiment تفاوت بازتابش وتفرق: 1)بازتابش فقط از اتمهای سطحی انجام میشود ولی تفرق هم از اتم های سطح وهم از اتم های داخلی 2)بازتابش در هر زاویه ای انجام میشود ولی تفرق در هر θ2 خاصی 3)کارایی آن بالا است ولی تفرق کارایی پایینی دارد.

انواع تداخل امواج: 1)تداخل سازنده:پرتوهای مختلف هم فاز اند 2)تداخل مخرب: پرتوها هم فاز نبا شند

پراش Diffraction 2 3

پديده پراش

قانون براگ

روشهاي انجام پراش

روش لاوه • روش عبوري Transmission method • روش پس تاب Back Reflected method

محل نقاط پراش در روش لاوه

روش بلور دوراني

تشكيل يك مخلوط پراشيده در روش پودري

روش پودري (ارتباط فيلم و تنونه در دوربين دبي شرر و وضعيت فيلم باز شده)

الگوي پودري دبي شرر براي مس با شبكه FCC (a)، تنگستن با شبكه BCC (b) روي با شبكه HCP (c)

در روش دبی-شرر یا روش پودری، بلوری که مورد آزمایش قرار میگیرد به پودر بسیار ریزی تبدیل شده و در مسیر باریکه ی پرتوهای تکفام x قرار داده می‌شود. هر ذره‌ ی پودر یک بلور ریز و یا مجموعه‌ای از بلور کوچکتر است که به طور اتفاقی نسبت به باریکه ی فرودی جهت یابی می‌شوند. برخی از بلورها تصادفا به طور صحیحی جهت یابی خواهند شد، به گونه‌ای که به عنوان مثال صفحات (100 ) آنها بتوانند باریکه‌ی فرودی را بازتاب كند. بلورهای دیگر به طور صحیحی برای بازتاب‌های (110)، همچنین دیگربازتابها جهت یابی خواهند شد. در نتیجه هر مجموعه‌ای از صفحات شبکه توانایی بازتاب پرتو x را خواهند داشت. توده ی پودر در وافع معادل با تک بلوری است که نه تنها پیرامون یک محور، بلکه پیرامون تمام محورهای ممکن دوران داده می‌شود.

محل برخورد پرتو • از موقعیت اندازه گیری شده یک خط پراشیده معین بر روی فیلم ،میتوان θ را تعیین کرد و با مشخص بودن λ، میتوان فاصله‌ی صفحات بازتابی (d) شبکه‌ای را محاسبه کرد که این خطوط را بوجود می‌آورند. • بر عکس اگر شکل و اندازه بلور مشخص باشد، می‌توان موقعیت تمام خطوط پراشی ممکن بر روی فیلم را پیش بینی کرد. • پرتو بر اثر برخورد با نمونه تشکیل یک هرم با زاویه θ4می‌دهد. • ترتیب خطوط به ترتیب صفحاتی است که میتواند تفرق کنند. • زوج خط اول کمترین (hkl)را دارد.

2)روش الگوی تفرق خطی:Diffractometer Detection of Diffracted X-rays by a Diffractometer

الگوی تفرق خطی پیوسته نیست. • در دستگاه پراش، پرتو x از یک لوله پدید آورنده پرتو بر نمونه مجهول تابيده ميشود و شدت پرتو پراشیده در زاویه های گوناگون اندازه گیری می‌شود. بدین ترتیب وظیفه دستگاه پراش تعیین زاویه‌هایي است که طبق رابطه براگ پدیده پراش در آنها صورت میگیرد همچنین شدت این پرتو ها نیز اندازه‌گیری می‌شود. • آنچه به عنوان الگوی پراش از پراش سنج بدست می‌آید تغییرات شدت پرتو بر حسب زاویه‌ی 2θاست. • آزمایش پراش سنجی را در گستره 10-70deg انجام میدهند ولی گاهی میتوان گستره 2θرا0-160deg نیز انتخاب کرد. • از آنجا که شدت پرتو پراشیده به تدریج ثبت می‌شود و شدت جریان و همچنین ولتاژ لوله پدید آورنده پرتو x در مقدار شدت پرتو اثر دارند، باید دستگاه پراش سنجی دارای قسمت یکنواخت ساز ولتاژ و جریان باشد.

A polycrystalline sample should contain thousands of crystallites. Therefore, all possible diffraction peaks should be observed 2q 2q 2q For every set of planes, there will be a small percentage of crystallites that are properly oriented to diffract (the plane perpendicular bisects the incident and diffracted beams). Basic assumptions of powder diffraction are that for every set of planes there is an equal number of crystallites that will diffract and that there is a statistically relevant number of crystallites, not just one or two.

الگوي پراش اشعه X

نکات مهم در مورد پیک: 1-موقعیت پیک(مهم ترین ویژگی ) 2-شدت پیک(ارتفاع) 3-پهنای پیک

Peak Width-Full Width at Half Maximum • FWHM Important for: 1.Particle or grain size 2. Residual strain

کاربردهای جانبی روش XRD: 1-تعیین اندازه ذرات کاهش اندازه ذرات نمونه موجب پهن شدن پیکهاي XRD مربوط به آن نمونه شده و ارتباط آنه توسط رابطه شرر مطرح ميشود. 2-تعیین ثابت شبکه: تعیین ثابت شبکه در علم مواد اهمیت بسیاری دارد به عنوان مثال با اندازه گیری ثابت شبکه در دماهای گوناگون میتوان ضریب انبساط حرارتی ماده را تعیین نمود. 3-پراش سنجی دمای بالا: در حالت معمولی برای مطالعه دگرگونی فازی پس از گرمایش نمونه در دماهای گوناگون آن را سرد کرده ودگرگونی فازی را در ان بررسی میکنند. در این حالت این تردید وجود دارد که شاید به هنگام سرمایش نمونه دچار دگرگونی فازی شده باشد. بنابراین قضاوت درباره فازهای موجود در دمای بالا را مخدوش کند. در پراش سنجی دمای بالا چون کار مطالعه فازی در دماهایی انجام میشود که دگرگونی فازی پدید می اید اطلاعات واقعی و دقیق تری از وضعیت فازهای موجود بدست خواهد امد

4-اندازه گیری تنش باقی مانده در نمونه: اساس، تغییر فاصله ی صفحات بلورین ماده به دلیل وجود تنش است که باعث جابجایی محل پیک ها میشود. اگر در ماده بدون تنش فاصله صفحات بلورین d0 باشد موقعیت پیک در زاویه 2θخواهد بود. حال اگر صفحه های اتمی تحت تنش باشند برحسب اینکه تنش فشاری باشد یا کششی باید فاصله اتمي کمتر یا بیشتر از d0ميشود و بنابراین موقعیت پیک از 2θابتدایی تغییر میکند. اگر صفحات اتمی تحت تنش خمشی قرار بگیرد از آنجا که این صفحه‌ها از یک طرف تحت تنش کششی هستند فاصله‌ی اتمي بیشتر از d0و در طرف دیگر که تحت تنش فشاری می‌باشد فاصله اتمي کمتر از d0 دارند و بنابراین در الگوی پراش پرتو Xاین ماده یک پیک پهن بوجود می‌آید.

نمودار راهنمای استفاده از کارت پراش سنجی: پیدا کردن شماره کارت شناسایی dهای مربوط به 3 قوی ترین پیک یافتن شدت های مربوط به این پیک ها بررسی شرایط ازمایش در تهیه ی الگو بدست اوردن اطلاعات بلور شناسی ماده بررسی اطلاعات فیزیکی ماده بررسی آنالیز شیمیایی ماده پیدا کردن نام و فرمول شیمیایی بررسی مقدار های dو شدت های نسبی و اندیس های دیگر

بسم الله الرحمن الرحيم