Krystalografie a strukturní analýza

Transkript

1 Krystalografie a strukturní analýza O čem to dneska bude (a nebo také nebude): trocha historie aneb jak to všechno začalo... jak a čím pozorovat strukturu látek difrakce - tak trochu jiný mikroskop rozptyl záření na atomu krystal jako difrakční mřížka difrakční podmínky reciproký prostor/reciproká mřížka metody rtg.difrakce strukturní faktor k čemu to všechno a dále...

2 Jak to všechno začalo... přírodní krystaly 0 Co jsou krystaly? Souvisí tvar krystalu s jeho vlastnostmi? Jak vznikají? Z čeho jsou tvořeny? Lze je připravit uměle? Čím jsou dány jejich tvary? symetrie 2

3 Jak to všechno začalo... René J. Haüy ( ) Různé formy určité krystalické látky v sobě obsahují stejný primitivní tvar, jádro, předurčené přírodou. L. A. Seeber ( ) Mřížkakrystalu krystalu je tvořena z atomů a znikoliv z molekul Mřížka je tvořena z atomů a nikoliv molekul W. H. Miller ( ) F. Neumann ( ) K. F. Naumann ( ) indexy krystalových ploch souvislost struktury a vlastností krystalů Lze vidět strukturu krystalů??? 3

4 Jak to všechno začalo... 4

5 Čím pozorovat? Mikroskopické metody TEM 5

6 Čím pozorovat? STM 6

7 Čím pozorovat? AFM 7

8 Čím pozorovat? Přichází difrakce... stínítko mřížka θ!!! nevidíme mřížku přímo, vidíme difrakční obraz!!! 8

9 Čím pozorovat? Přichází difrakce...!!! nevidíme mřížku přímo, vidíme difrakční obraz!!! 9

10 Mikroskop vs. difrakce... Jak lze zviditelnit atomovou strukturu Mikroskopy TEM STM AFM vidíme strukturu povrchu/na povrchu Difrakce vhodná vlnová délka použitého záření vidíme i strukturu pod povrchem reciproký prostor přímý prostor 10

11 Krystal jako 3D difrakční mřížka Vznik krystalu mříž hmotná báze 1 perioda = elementární buňka trojrozměrně periodická atomová struktura krystalických látek 11

12 Krystal jako 3D difrakční mřížka opakující se motiv = elementární buňka W.C. Röntgen ( ) 12

13 Difrakční podmínky jeden pokus, dvě odpovědi Paul Knipping ( ) Max von Laue ( ) Walter Friedrich ( ) Paul Peter Ewald ( )

14 Difrakční podmínky Laueho difrakční podmínky Max Theodor Felix von Laue ( ) 14

15 Reciproký prostor/reciproká mřížka jaká q vyhovují??? řešení hledám ve tvaru vektory reciproké mřížky (také periodická) 2 prostory, navzájem komplementární přímý a reciproký 15

16 Reciproký prostor/reciproká mřížka 16

17 Reciproký prostor/reciproká mřížka 2D 17

18 Difrakční podmínky, část druhá intenzity!!! 18

19 Difrakční podmínky, část druhá William Henry Bragg William Lawrence Bragg ( ) ( ) 19

20 Rozptylové intermezzo R 1 k R atom uvažujeme jako bodové rozptylové centrum k' 2 r dopadající vlna: interakce: rozptýlená vlna: pružný rozptyl: 20

21 Rozptylové intermezzo R 1 k R rozptylový vektor k' 2 r rozptylový/strukturní faktor intenzita 21

22 Rozptylové intermezzo 22

23 Rozptylové intermezzo krystal N=N1N2N3 atomů pravidelně uspořádaných N 3 a3 a 2 a1 N 2 N 1 pík o výšce a šířce 23

24 Abychom si rozuměli... krystal - trojrozměrná translační symetrie mříž - trojrozměrně periodická množina bodů struktura - prostorové rozmístění atomů Millerovy indexy rovin základní buňka primitivní, centrovaná 24

25 Abychom si rozuměli... body v reciprokém prostoru roviny v přímém prostoru 25

26 Difrakční podmínky, část druhá je kolmý k rovině hkl a 3 /l (skalární součin s V a U je roven nule) V d a 2 /k hkl U vzdálenost roviny hkl od počátku je a 1 /h body v reciprokém prostoru roviny v přímém prostoru 26

27 Difrakční podmínky, část druhá strukturní faktor pro bcc mřížku 27

28 Difrakční podmínky, část druhá 28

29 Difrakční podmínky, část druhá 29

30 Difrakční podmínky 30

31 Difrakční podmínky Ewaldova koule 1. krystal umístíme do středu kulové plochy o poloměru 1/λ 2. do počátku umístíme počátek reciproké mříže 3. leží-li nějaký bod reciproké mříže na kulové ploše, jsou splněny difrakční podmínky a můžeme pozorovat difrakční maximum (rotace monokrystalu = rotace reciproké mříže) 31

32 Difrakční experimenty Laueho metoda bílé rtg.záření, monokrystalový vzorek vzorek kolimátor detektor symetrické uspořádání difrakčních stop monochromatizace rtg.záření 32

33 Difrakční experimenty Laueho metoda 100 orientace krystalů

34 Difrakční experimenty Difrakce na monokrystalu monochromatické záření čtyřkruhový difraktometr potřeba otáčet/naklánět vzorek 34

35 Difrakční experimenty 35

36 Difrakční experimenty Prášková rtg. difrakce monochromatické záření θ θ 2θ 2 36

37 θ θ 2θ 2 hikili h5k5l5 h4k4l4 Intenzita Prášková rtg. difrakce monochromatické záření h3k3l3 h1k1l1 h2k2l2 Difrakční experimenty difraktogram 2θ 37

38 Difrakce a krystalová struktura Co lze zjistit z difrakčního záznamu Polohy I geometrie krystalové mříže poruchy krystalové mříže, makroskopická napětí kvalitativní fázová analýza Intenzity struktura krystalové mříže ozářený objem vhodně orientovaných krystalitů 2 přednostní orientace krystalitů kvantitativní fázová analýza Tvar maxim úplná informace o struktuře látky velikost difraktujících částic poruchy krystalové mříže, makroskopická napětí 38

39 Intenzita Difrakce a krystalová struktura mapa elektronové hustoty 2θ Intenzita ~ Fourierova transformace elektronové hustoty 39

40 Difrakce a krystalová struktura Intenzita ~ Fourierova transformace elektronové hustoty 40

41 Difrakce a krystalová struktura amplituda Elektromagnetické vlnění intenzita FT IFT prohození fází 41

42 Krystalová struktura bcc Fe fcc 42

43 Proč potřebuje znát strukturu? Biologie Chemie Fyzika Materiál Nové materiály Mineralogie Vznik, příprava, historie Struktura Vlastnosti Funkce 43

44 Struktura nano-krystalů, kvantových teček a jiných maličkostí Synchrotron 44

45 Struktura nano-krystalů, kvantových teček a jiných maličkostí Synchrotronové záření 45

46 A co dál? Difrakce něčeho jiného? James Chadwick ( ) m = kg spin = ½ náboj = 0 mag.moment = μn λ~10-10m v~ km.s-1 46

47 Difrakce neutronů Výroba neutronů jaderné reakce 47

48 Difrakce neutronů Rozptyl neutronů 48

49 Difrakce neutronů - magnetismus 49

50 Difrakce ještě něčeho jiného? Elektrony Reflection High Energy Electron Diffraction (RHEED) 50

51 Difrakce ještě něčeho jiného? kvazikrystaly 51

52 Difrakce ještě něčeho jiného? kapalné krystaly 52

53 Shrnutí aneb o čem to bylo historický exkurz co je to krystal rozptyl záření na atomu/krystalu krystal jako 3D difrakční mřížka difrakční podmínky Laue, Bragg Ewaldova konstrukce reciproká vs. přímá mříž difrakce a symetrie difrakční metody difrakční záznam úplný záznam o struktuře k čemu to (vlastně) je difrakce jiných částic Děkuji za pozornost. 53