Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Röntgendiffrakciós szerkezetvizsgálat Gubicza Jenő ELTE Anyagfizikai Tanszék.

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "Röntgendiffrakciós szerkezetvizsgálat Gubicza Jenő ELTE Anyagfizikai Tanszék."— Előadás másolata:

1 Röntgendiffrakciós szerkezetvizsgálat Gubicza Jenő ELTE Anyagfizikai Tanszék

2 A röntgensugárzás felfedezése Wilhelm Conrad Röntgen ( ) 1895: a katódsugárcsőből kilépő sugárzás hatására a sókristály fluoreszklál 1901: Nobel-díj X-sugárzás, X-ray (röntgen sugárzás) A különböző sűrűségű anyagokban eltérő mértékben nyelődik el (röntgen radiográfia) Sejtés: a röntgensugárzás elektromágneses sugárzás. Bizonyítás: interferencia kísérlet egy olyan rácson, aminek periódushossza a röntgen sugárzás feltételezett hullámhosszának nagyságrendjébe ( m) esik.

3 Max von Laue ( ) feltételezve, hogy a kristályos anyagok rácsszerkezettel rendelkeznek, megbecsülte a rácsállandójukat ( m) és meghatározta az interferencia létrejöttének feltételeit. Laue számításai alapján Friedrich és Knipping kísérlete (1912): Rézgálic egykristályról szórt sugárzás interferenciája  röntgensugárzás hullámtermészetű ( = 1 Angström = 0.1 nm)  a kristályok rácsszerkezetűek Laue 1914-ben Nobel-díjat kapott.

4 Röntgensugarak diffrakciója kristályos anyagokon 1915: Nobel-díj W. L. Bragg [ ] W. H. Bragg [ ] kristálysíkok (Bragg-egyenlet) 22 2d(sin  )=n 2(d/n)(sin  )= 2d ’ (sin  )= Reflexió iránya

5

6 (100)(110)(111)

7 (hkl) síksereg d hkl monokromatikus nyaláb ( fix): 2d hkl (sin  )= intenzítás maximum iránya a beeső nyalábhoz képest: 2  Egykristály esetén: a beeső nyaláb irányától függően jelenik meg néhány reflexió (megoldás: a kristály forgatása ) A hkl reflexió Bragg szöge (  ) Minden síksereghez tartozik egy reflexió!

8 D=0.1-1  m kristály- szemcsék Polikristály (por) diffrakció esetén: A véletlenszerű kristályszemcse-orientáció miatt, a minta forgatása nélkül is minden kristálytanilag lehetséges reflexió megjelenik. röntgennyaláb l  D (l=1-10 mm)

9 Pordiffrakció Debye-Scherrer módszer

10 Röntgen pordiffraktométer (reflexiós) Csak a minta felületével párhuzamos kristálysíkok reflektálnak. divergens nyaláb, fókuszáló geometria

11 Philips Xpert pordiffraktométer

12 A röntgensugárzás előállítása Röntgencső Karakterisztikus sugárzás Fékezési sugárzás Forrásméret: kb. 10x0.1 mm 2 K1K1 K2K2 LKLK MKMK

13 Szinkrotron sugárforrás Nagy intenzítású (10 8 xRöntgencső), impulzusszerű (1-100 ns) sugárzás. Grenoble, Franciaország Rövidebb idő, kisebb minta, kisebb nyalábméret (mikrodiffrakció). Elektronok keringése a tárológyűrűben

14 Monokromátor grafit, Si, Ge egykristály  d  =arc[sin( /2d)]

15 Röntgen pordiffraktogram

16 Fázisanalízis A pordiffraktogram ujjlenyomatszerűen jellemzi a kristályos fázist. International Centre for Diffraction Data (ICDD) adatbázis (355 ezer fázis) Keresés a legerősebb reflexiók vonalpozíciója alapján + kémiai összetétel Többfázisú anyag

17 Rácsparaméter meghatározás pl. köbös szerkezetű anyag esetén: d hkl a (hkl) d hkl = /2(sin  )22 h, k, l a

18 Bragg-egyenlet „a” meghatározása extrapolációval Al(Mg) szilárdoldat

19 Ötvöző koncentráció meghatározása a rácsparaméterből Al(Mg) szilárdoldatos ötvözet

20 Al + 6%Mg porkeverék őrlése malomban mechanikai ötvözés

21 A mikroszerkezet vizsgálata röntgen vonalprofil analízissel

22 5 nm Az anyag mikroszerkezetének közvetlen vizsgálata (transzmissziós elektronmikroszkópia, TEM) szemcseméretrácshibák (pl. diszlokációk)

23 Végtelen, hibamentes kristály: Dirac-delta alakú diffrakciós csúcs Az anyag mikroszerkezetének közvetett vizsgálata (röntgen vonalprofil analízis)

24 Instrumentális hatások: D  nm Nanokristályos anyagok mikroszerkezetének jellemzése vonalprofil analízis:  krisztallitméret eloszlás  rácshibák típusa, sűrűsége  véges szemcseméret  rácshibák diffrakciós vonalszélesedés Instrumentális szélesedés: végtelen, hibamentes kristály esetén is van véges vonalszélesedés ( fok)

25 Forgóanódos diffraktométer  generátor teljesítmény: 4-5 kW (Philips Xpert: kW)  kisebb méretű, de nagyobb fényességű nyaláb ( mm)  nagyfelbontású profilmérés (30-50  m pixelméret, 1 m minta-detektor távolság)  helyzetérzékeny detektor vagy imaging plate  kisebb instrumentális szélesedés

26 D D Szemcseméret okozta kiszélesedés FWHM  1/D FWHM: Full Width at Half Maximum

27 Williamson-Hall ábrázolás Gömb (izotróp) alakú szemcsék esetén K =2sin  / 22 FWHM  1/D bcc szerk.

28 A különböző rácshibák milyen mértékben szélesítik ki a profilokat? Ponthibák:  1/r 3 (rövidtávú deformációs tér) Diszlokációk:  1/r (hosszútávú deformációs tér) Ponthibák hatása a reflexió centrumától távol (Huang-szórás) Diszlokációk hatása Rétegződési hibák: „szemcseméret jellegű” szélesedés A vonalprofilból nem határozható meg.

29 Diszlokációk okozta vonalszélesedés anizotróp deformációs tér a diszlokáció körül anizotróp vonalszélesedés (hkl függő) diszlokáció

30 Williamson-Hall ábrázolás Anizotróp vonalszélesedés Diszlokációk Rétegződési hibákFWHM 200 =FWHM 400 TiNi SiC FWHM 111 =FWHM 222 Rácstorzulás esetén: pl. FWHM 110 ≠ FWHM 220

31 K =2sin  / FWHM A félértékszélességből csak az átlagos szemcseméret határozható meg, de a szemcseméret eloszlás és a rácshiba sűrűség nem! A szemcseméret eloszlás és a rácshiba sűrűség meghatározásához az egész profil alakjának vizsgálata szükséges! Kiértékelés: a vonalprofilok illesztése elméleti függvények konvolúciójával. Az elméleti függvényeket a mikroszerkezet modellje alapján számítják ki. Konvolúció:

32 A mikroszerkezet modellje alapján számított elméleti függvények illesztése egyszerre az összes mért intenzítás profilra. Mikroszerkezeti modell:  a rácsdeformációt diszlokációk és/vagy rétegződési hibák okozzák  gömb alakú szemcsék  log-normál méreteloszlás Konvolúciós Teljes Profil Illesztés (Convolutional Multiple Whole Profile fitting, CMWP)

33 szemcseméret eloszlás és rácshiba-szerkezet paraméterei  (diszlokáció sűrűség) M (diszlokáció elrendeződés)  (rétegződési hibák sűrűsége) m (a méreteloszlás mediánja)  (a méreteloszlás varianciája)

34 m (medián)  (variancia)  x  area = m exp(2.5  2 )  x  arit = m exp(0.5  2 )  x  vol = m exp(3.5  2 ) átlagos szemcseméretek m=14 nm  =0.45  x  arit = 15 nm  x  area = 23 nm  x  vol = 28 nm Az eloszlás szélesége (  ) nő a különböző átlagok közötti különbség nő MgZn 2

35 A diszlokáció szerkezet paraméterei  (diszlokáció sűrűség) M (diszlokáció elrendeződés) M nagy M kicsi dipólok

36 Rétegződési hibák sűrűsége „hibás rétegződés” 100 db réteg ebből 3 hibás  =3% pl. fcc rács esetén: ABCABCABC a hibátlan rétegződés ikerhatár: ABCABCBACBA Szoros illeszkedésű síkok Pl. fcc: (111) síkok A B C B A C A B

37 Példák a mikroszerkezet röntgen vonalprofil analízissel történő vizsgálatára

38 TEM Nanokristályos Si 3 N 4 kerámiapor A Si 3 N 4 kerámiaszemcsék egykristályok. (nincs szubszerkezet) előállítás: termikus plazmaszintézis (SiCl 4 + NH 3 ) + kristályosítás 1500  C-on A két módszerből (TEM és röntgen) kapott szemcseméret jól egyezik. (röntgen)

39 A röntgenes (XRD) és TEM szemcseméretek összehasonlítása (deformált titán) TEM XRD Cellaméret-eloszlás TEM: D=265 nm XRD: vol =45 nm szemcseméret: D cella ≈ D röntgen

40 A finomszemcsés mikroszerkezet fejlődése deformáció során Kezdeti állapot Nagy deformáció Közepes deformáció cellahatár (kis szögű) sűrű diszlokációfal (nagy szögű) diszlokációk szemcsefinomodás diszlokációk falakba rendeződésével

41 Deformált titán (nagyfelbontású TEM [HRTEM]) Erősen deformált fémekben TEM-mel nehéz meghatározni a diszlokációsűrűséget. Röntgen vonalprofil analízisból jó statisztikával meghatározható! 10 nm

42 nanoprból szinterelt SiC TEM röntgen  = 9±1 %  = 11 ±1 % A két módszerrel kapott értékek jól egyeznek!

43 Összefoglalás A röntgendiffrakció széles körben és eredményesen alkalmazható kristályos anyagok kristály-, és mikroszerkezetének vizsgálatára. De: kiegészítő mérések (pl. TEM) segítik a mikroszerkezet vizsgálatához szükséges modell felállítását.


Letölteni ppt "Röntgendiffrakciós szerkezetvizsgálat Gubicza Jenő ELTE Anyagfizikai Tanszék."

Hasonló előadás


Google Hirdetések