Možnosti rtg difrakce Jan Drahokoupil (FZÚ) Zdeněk Pala (ÚFP) Jiří Čapek (FJFI) AdMat 13. 3. 2014
Aplikace Struktura krystalických látek Fázová analýza Mřížkové parametry Textura, orientace Makroskopická a mikroskopická zbytková napětí Velikost krystalitů Reflektivita (hustota, tloušťka tenké vrstvy)
Velikost, množství vzorku monokrystal 1 mm 2 polykrystal symetrický scan 2 cm 2 až 2 mm 2 malý úhel dopadu, či náklony vzorku (tenké vrstvy, pólové obrazce) přezařování vzorku neefektivní využívání primárního zdroje
Intensity (counts) Amorfní - nanokrystalická - krystalická 160000 90000 40000 10000 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 2Theta ( )
Rozlišitelnost fází +
Fázová analýza Každá látka má charakteristický difrakční obrazec množina difrakcí poloha 2θ, intenzita Identifikace ~ 1 až 6 fází přesnost ~ 0.5% to 20% (a více) největší problém je způsobován texturou velikost krystalitů, či mikrodeformací náročnost ~ od několika minut po cca 1h
Wt [%] Phase analysis Rietveld refinement of Sr 1-x Hf 1+x O 3+x phases - samples were sensitive on airy CO 2 and H 2 O 60 50 40 SrHfO3 SrCO3 SrO Sr (OH)2 Sr (OH)2 H2O 30 20 10 0 1 10 100 1000 10000 time [min]
Wt [%] Phase analysis Rietveld refinement of Sr 1-x Hf 1+x O 3+x phases - samples were sensitive on airy CO 2 and H 2 O 60 50 40 SrHfO3 SrCO3 SrO Sr (OH)2 Sr (OH)2 H2O 30 20 10 0 1 10 100 1000 10000 time [min]
latice parametr [Å] Mřížkové parametry a0 Braggova rovnice: 2d sinθ = λ, d 2 2 2 h k l Přesnost pro vysoko úhlové difrakce ~ ± 0.001 Å Jak pro polykrystalické látky tak monokrystaly, či tenké vrstvy 6 5.98 5.96 5.94 5.92 5.9 5.88 5.86 5.84 lattice parameters hysteresis in Ni 2 MnGa single crystal a_up b_up a_down b_down 5.82 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 T [ C]
Přednostní orientace - textura
Textura - orientace monokrystalů Orientace monokrystalů několik minut ODF pro polykrystalický materiál několik hodin pólové obrazce pro několik difrakcí velikost vzorku min. 1 x 1 cm Pólový obrazec Laueho metoda
I [a.u.]. I [a.u.]. I [a.u.]. Vliv napětí na profil difrakčních linií 14 12 10 8 grain 1 grain 2 grain 3 sum 14 12 10 8 grain 1 grain 2 grain 3 sum 6 6 4 4 2 2 0 153 155 157 159 2 0 153 155 157 159 2 14 12 10 8 6 4 2 grain 1 grain 2 grain 3 sum bez napětí mikroskopická napětí makroskopická napětí 0 153 155 157 159 2 Pozn.: malé krystality = širší profily
Makroskopické zbytkové napětí Měříme pouze deformaci, napětí přes elastické konstanty Můžeme měřit celý tenzor (+gradienty) Několik málo hodin Difrakce u vysokých úhlů ε ψ = (θ 0 θ ψ ) cotg θ 0
s [MPa] Hloubkový profil Makroskopické a mikroskopické napětí 800 400 macro C13 macro C11 micro C13 micro C11 0 0 0.2 0.4 0.6 z [mm] 0.8-400 -800 balotinovaný povrch, korozivzdorná ocel
Velikost krystalitů a mikrodeformace Mikrodeformace ε: 4 tan Velikost krystalitů D: Dcos časová náročnost: od několika minut po 2 hodiny
Ordering in Ni 2 MnGa Ordering atomic cordinations (0, 0, 0) (¼, ¼, ¼) (½, ½, ½ ) (¾, ¾, ¾) L21 Mn Ni Ga Ni B2 Mn/Ga Ni Mn/Ga Ni A2 Ni/Mn/Ga Ni/Mn/Ga Ni/Mn/Ga Ni/Mn/Ga Structure factor ~ Intensity h k l L21 B2 A2 Ga/Ni Mn/Ni NaTl 1 1 1 22 15 10 11 0 0 2 17 17 92 44 0 2 2 290 290 295 367 314 290 2 2 2 18 18 71 36 0 0 4 232 232 237 295 252 232 0 4 4 164 164 169 208 179 164
Ordering A2 A2 L21 or B2
Shrnutí dostupnost (KIPL, ÚFP, FZÚ,...) časová nenáročnost (od 2 min... ) vidí povrch (několik μm) dává střední hodnoty vidí vzájemné uspořádání atomů
Děkuji za pozornost
X-ray goniometer geometries Bragg Brentano geometry (BB) Debye Scherrer geometry Asymmetric case of BB geometry Offset particular orientation of crystals Grazing incident surface measurement better with parallel beam
Divergent vs. Parallel interested in direction perpendicular to surface Bragg-Brentano geometry (BB) divergent beam parallel beam + better resolution - sensitive to sample alignment and inclination + resistible to sample alignment and inclination - worse resolution