پراش پرتو ایکس (X-ray diffraction)، با نام اختصاری و متداول XRD، تکنیکی قدیمی و بسیار شناخته شده در بررسی ساختار و خصوصیات کریستال هاست. اساس روش XRD پراش پرتو ايکس تک رنگ، توسط اتم های یک ماده است. به طور کلی پراش زمانی اتفاق می افتد که نور به یک مانع برخورد می کند. با برخورد به مانع، پرتو نوری یا خم شده و پخش می شود و یا از منافذ ریز روی مانع عبور می کند. پدیده پراش برای تمام پرتوهای الکترومغناطيس و از جمله پرتو ایکس قابل مشاهده است. تداخل بين بردار الکتريکی پرتو ايکس و الکترون های ماده ای که پرتو از آن عبور می کند، ممکن است سازنده یا مخرب باشد. در تداخل سازنده الگوی پراش پرتو ایکس، مشخصه الگوی چینش اتم ها در یک ساختار کریستالی منظم است. در واقع وقتی پرتو ایکس بر روی یک کریستال تابانده شود پراش آن مطابق الگوی مشخصه ساختاری کریستال اتفاق می افتد.
قانون براگ (Bragg’s Law)
به علت ساختار منظم در یک کریستال، می توان آن را به صورت صفحات منظم با فواصل مشخص فرض کرد. از آنجایی که فاصله بین لایه های منظم یک کریستال ابعادی نزدیک به طول موج پرتو ایکس دارند، پراش ایجاد می شود. برخورد پرتو ایکس با زاویه θ با سطح، سبب می شود تا قسمتی از پرتو اولیه با همان زاویه θ پراش یابد و قسمت دیگر وارد صفحات داخلی کریستال شود. این فرایند برای بسیاری از صفحات یک کریستال تکرار می شود. مسافت طی شده پرتو ایکس در برخورد با اتم های سطح، کمتر از مسافت طی شده در برخورد با لایه درونی کریستال است. مسافت طی شده به فاصله دو لایه و زاویه تابش پرتو ایکس بستگی دارد.
در شکل 1 نشان داده شده است که اختلاف مسیر پیموده شده بین دو لایه اول و دوم مساوی هم و برابر است با :
BG=BC=dSinθ (1)
پراش سازنده وقتی اتفاق می افتد که تفاوت طول مسیر پیموده شده پرتو ایکس مضرب صحیحی از طول موج باشد. بنابراین برای مجموع مسیر پیموده شده برابر با:
(2) nλ=2dSinθ
این معادله به رابطه براگ معروف است. در این رابطه λ طول موج منبع d فاصله صفحات کریستال و θ زاویه پرتو فرودی و n یک عدد صحیح است. توجه شود که بر اساس این رابطه پرتو ایکس فقط در زوایای ویژه ای منعکس خواهد شد که از بازآرایی رابطه 1 به دست می آید:
(3) Sinθ = nλ/2d
یک طیف XRD با رسم شدت برحسب θ به دست می آید. با تغيير θ و معلوم بودن طول موج منبع λ، در هر لحظه d به دست می آید.
دستگاهوری XRD
مشابه بسیاری از دستگاه های آنالیزی اجزاء یک دستگاه XRD عبارتند از منبع، یک وسیله برای انتخاب طول موج، جای نمونه، آشکارساز و مبدل سیگنال. شکل 2 شمای کلی یک دستگاه پراش پرتو ایکس (XRD) را نشان می دهد.
از لوله های پرتوایکس با فیلامان تنگستنی معمولا به عنوان منبع استفاده می شود. شدت منبع با تنظیم جریان عبوری از آن قابل تنظیم است. طول موج پرتو نیز با کنترل ولتاژ اعمالی قابل کنترل است.
از مونوکروماتور یا فیلتر برای ایجاد پرتو تک رنگ استفاده می شود. انواع آشکارسازهای پرشده گازی سوسوزن و نیمه هادی در دستگاه های XRD بکار می رود.
آماده سازی نمونه های XRD
نمونه باید به خوبی آسیاب شود تا پودر همگنی از نمونه کریستالی به دست آید. در این صورت امکان قرارگیری تعدادی زیادی از ذرات کریستالی در جهت موردنظر و منطبق با معادله براگ وجود دارد. نمونه ها با یک چسب مناسب مخلوط شده و سپس قالب گیری می شوند.
کریستالیزه کردن یک مرحله بسیار با اهمیت در تهیه نمونه های XRD ست و به تبحر و تخصص ویژه ای نیاز دارد.
در پراش پرتو ایکس پودری (powder X-ray diffraction) الگوی پراش از شکل پودری نمونه به دست می آید. XRD پودری معمولا آسان تر و ساده تر از پراش کریستالی ست. چون در حالت پودری نیازی به تهیه تک کریستال (single crystal) نیست. ضمن اینکه در روش پودری الگوی توده (بالک) نمونه نیز به دست می آید.
نکات آنالیزی XRD
- نمونه حتما باید ساختار کریستالی داشته باشد.
- دقت کمی در اندازه گیری کمی فازها دارد (فازهای با مقادیر کمتر از 5% شناسایی نمی شوند).
- در آنالیز کیفی عنصری کارایی مناسبی ندارد.
- روش سریع و قوی و با دسترسی مناسب است.
زمینه کابردی XRD
- تعیین ساختار کریستالی و اندازه گیری دقیق پارامترهای شبکه
- تعیین دیاگرام های فازی
- شناسایی و آنالیز شیمیایی
- تعیین کیفیت و جهت صفحات در تک کریستال ها
