Рентгеноструктурный анализ

Рентгеноструктурный анализ (РСА) — это метод исследования кристаллической структуры материалов с использованием рентгеновского излучения. Основная цель РСА — определение пространственной организации атомов в кристаллах, их положения и симметрии, что является ключевым для понимания физических и химических свойств материалов.

Принцип метода

РСА основан на явлении дифракции рентгеновских лучей на периодической решётке кристалла. Когда монохроматический рентгеновский пучок падает на кристалл, атомные плоскости действуют как дифракционные решётки, отражая лучи под определёнными углами. Это описывается законом Брэгга:

nλ = 2dsin θ

где:

  • n — порядок отражения,
  • λ — длина волны рентгеновского излучения,
  • d — межплоскостное расстояние,
  • θ — угол падения на атомные плоскости.

Закон Брэгга позволяет определить межплоскостные расстояния d и, соответственно, параметры кристаллической решётки.

Типы рентгеноструктурного анализа

1. Порошковый метод (порошковая дифрактометрия) Используется для поликристаллических или аморфных образцов. Образец измельчается до порошка, чтобы обеспечить случайную ориентацию кристаллитов. Получаемый дифрактограмма содержит пики, соответствующие наборам атомных плоскостей. Основные возможности метода:

  • определение фазового состава;
  • измерение параметров элементарной ячейки;
  • оценка кристаллитного размера (метод Шеррера).

2. Однокристаллический метод Применяется к одиночным кристаллам. Позволяет получать полные трёхмерные карты электронной плотности и точно определять положение атомов. Основные этапы:

  • измерение интенсивности дифракционных максимумов при вращении кристалла;
  • решение структуры с использованием методов Фурье;
  • уточнение параметров структуры методом наименьших квадратов.

3. Фазовый анализ и структура материалов РСА позволяет:

  • выявлять различные полиморфные модификации вещества;
  • определять соотношение фаз в многокомпонентных системах;
  • контролировать степень кристалличности и дефекты кристаллической решётки.

Основные параметры, определяемые методом

  1. Параметры элементарной ячейки Определяются по положению дифракционных пиков. Позволяют узнать геометрию решётки (кубическая, тетрагональная, гексагональная и др.) и размеры ячейки (a, b, c).

  2. Кристаллическая симметрия Анализ интенсивности и расположения отражений помогает определить точечную группу и пространственную группу кристалла.

  3. Кристаллитный размер и микроструктурные напряжения Ширина дифракционных пиков используется для оценки размера кристаллитов L и микродеформаций ε методом Шеррера и Вильямсона–Халла:

$$ \beta\cos\theta = \frac{k\lambda}{L} + 4\varepsilon\sin\theta $$

где β — ширина пика, k — постоянная формы кристаллита.

  1. Электронная плотность С помощью преобразования Фурье из экспериментальных данных строятся карты электронной плотности, позволяющие точно определять положение атомов и характер химических связей.

Инструментальные аспекты

Рентгеновские источники:

  • трубки с анодами из меди, молибдена, кобальта;
  • синхротронные источники для высокоинтенсивного излучения.

Детекторы:

  • фотопластины и фотопластинки (классические методы);
  • полупроводниковые детекторы и ПЗС-матрицы (современные методы).

Методы измерений:

  • фиксированный угол и вращение образца;
  • 2θ-сканирование в порошковых дифрактометрах;
  • осевая и обертоновая съемка в монокристаллической дифракции.

Применение рентгеноструктурного анализа

  1. Научные исследования
  • определение структуры новых соединений;
  • исследование фазовых переходов;
  • изучение дефектов кристаллической решётки.
  1. Материаловедение и производство
  • контроль качества металлов, сплавов, керамики;
  • исследование наноматериалов и тонких плёнок;
  • анализ композитных и аморфных материалов.
  1. Химия и биология
  • структура органических и неорганических соединений;
  • определение молекулярной конформации белков и нуклеиновых кислот.

Современные тенденции и развитие

Современный РСА активно использует:

  • синхротронное излучение для получения данных высокой точности;
  • времяразрешённые методы для изучения кинетики фазовых превращений;
  • автоматизированные системы анализа больших объёмов данных и машинное обучение для интерпретации сложных структур.

Методы рентгеноструктурного анализа продолжают оставаться краеугольным камнем физики материалов, позволяя получать фундаментальные сведения о строении веществ, влияющих на их механические, электрические, магнитные и оптические свойства.

Оглавление