برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۳/۲۶ تا ۱۳۹۷/۰۴/۰۱

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۲,۰۵۹
  • بازدید این ماه ۸۵
  • بازدید امروز ۰
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۰
  • قبول شدگان ۰
  • شرکت کنندگان یکتا ۰
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۰
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

ویژه المپیاد دانش‌آموزی

طرح درس

منابع پیشنهادی نهمین المپیاد دانش آموزی نانو

نویسندگان
امتیاز کاربران

برهمکنش پرتوی ایکس و ذرات، مبانی روش پراش پرتوی ایکس

در جلسه‌ی قبل با ویژگی‌های پرتوی ایکس و فرآیندهای کلی تولید آن آشنا شدیم. در این جلسه می‌خواهیم بدانیم که چگونه می‌توان از پرتوی ایکس در شناخت ویژگی‌های بلوری مواد استفاده کرد.
مقدمه:
در جلسه‌ی قبل با ویژگی‌های پرتوی ایکس و فرآیندهای کلی تولید آن آشنا شدیم. در این جلسه می‌خواهیم بدانیم که چگونه می‌توان از پرتوی ایکس در شناخت ویژگی‌های بلوری مواد استفاده کرد.

1- برهمکنش پرتوی ایکس و ذرات
زمانی که پرتو‌های ایکس از یک مانع و یا منفذی که اندازه‌ی آن در حدود طول موج پرتو است عبور می‌کنند در جهات مختلف شکسته می‌شوند و شدت آنها تغییر می‌کند. به این پدیده شکست، انکسار یا پراش (difraction) گویند. زمانی که پرتوهای ایکس با ذرات منفرد برهمکنش داشته باشند، در جهات بیش‌تری پراکنده می‌شوند که به این پدیده پراکندگی (scattering) گویند. این پدیده‌ها در شکل 1 نمایش داده شده‌اند.
filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820
شکل 1: تصویر شماتیک شکست(A) و پراکندگی(B)


1-1- تداخل امواج
زمانی که ذرات در معرض امواج قرار می‌گیرند، پرتو‌های حاصل از پراکندگی می‌توانند بر هم تاثیر بگذارند و یکدیگر را تقویت یا تضعیف کنند که به ترتیب تداخل سازنده و مخرب نامیده می‌شوند. در تصاویر زیر، انواع تداخل نشان داده شده‌اند. به شکل امواج توجه کنید.

filereader.php?p1=main_c81e728d9d4c2f636
شکل 2: A: تداخل سازنده - B: تداخل مخرب

فرض کنید دو موج ایکس به سمت یک ماده حرکت می‌کنند، در این صورت برخورد آنها با ماده مطابق شکل 3، موجب پراکندگی امواج می‌شود. در این شکل دو خط افقی صفحات بلوری را نشان می‌دهند که پرتوهای ایکس به آنها برخورد کرده‌اند. d نیز فاصله‌ی بین صفحه‌های بلوری را نشان می‌دهد. پرتوی بالایی از نقطه‌ی Zبرمی‌گردد در حالی‌که پرتوی پایینی از نقطه‌ی B. پس باید توجه داشت که در حین بازگشت پرتوها، موج زیرین باید مسافت بیش‌تری (AB+BC) را نسبت به موج بالایی طی کند تا به صفحه‌ی کریستالی زیرین برسد و دچار پراکندگی شود. این اختلاف مسافت می‌تواند سبب تداخل سازنده یا ویرانگر امواج با یکدیگر شود. در صورتی که اختلاف مسیر دو پرتو مضرب صحیحی از λ باشد تداخل سازنده صورت می‌گیرد. بنابراین محل قرارگیری اتم‌های ماده در اختلاف مسیر دو پرتو و تداخل سازنده یا ویرانگر آنها موثر است.

filereader.php?p1=main_eccbc87e4b5ce2fe2
شکل 3: تصویر شماتیک برخورد پرتوها با ماده

با توجه به تصاویر بالا، می‌توان گفت AB برابر‌d sin⁡θ ‌و BC نیز برابر‌d sin⁡θ ‌ است، پس :
2d sin⁡θ=AB+BC
همچنین با توجه به این شرط که تداخل سازنده زمانی صورت می‌گیرد که اختلاف مسیر مضرب صحیحی از طول موج باشد، می‌توان شرط پراش پرتوی ایکس را به صورت زیر بیان کرد:
2d sin⁡θ=nλ
n در فرمول بالا ضریب بازتاب است و یک عدد صحیح می‌باشد و می‌توان آن را برابر یک در نظر گرفت.

قانون براگ
فردی به نام براگ، نخستین کسی بود که رابطه بین زاویه‌ی برخوردی پرتو و صفحات کریستالی نمونه را با چگونگی تداخل پرتو‌ها کشف کرد و این رابطه مطابق فرمول زیر است:

nλ=2d sin⁡θ

n= عدد صحیحی که معمولا برابر یک در نظر گرفته می‌شود.
λ= طول موج پرتوی ایکس
d= فاصله‌ی بین صفحات کریستالی (شامل اتم، مولکول یا یون)
θ= زاویه‌ی بین محور پرتو و صفحه‌ی کریستالی(زاویه ی براگ)
از قانون براگ در تحلیل داده‌های XRD استفاده می‌شود.

filereader.php?p1=main_a87ff679a2f3e71d9
شکل 4: قانون براگ


2- پراش پرتو ایکس(XRD)
از دستگاه XRD در شناسایی انواع ویژگی‌های کریستالی مواد استفاده می‌شود. دستگاه XRD از بخش‌های مختلفی شامل منبع پرتو‌ی ایکس، نمونه، آشکارساز و فیلتر‌های اپتیکی (نوری) پرتوی ایکس تشکیل می‌‌شود.

filereader.php?p1=main_e4da3b7fbbce2345dfilereader.php?p1=main_1679091c5a880faf6

شکل 5: دستگاه پراش پرتو ایکس (XRD)

اساس عملکرد آن مطابق قانون براگ، به این صورت است که پرتوی ایکس در زوایای مختلف به نمونه تابیده و پس از پراکندگی، توسط آشکارساز دریافت می‌شود و شدت آن براساس زاویه‌های مختلف برخورد، به صورت نموداری نمایش داده می‌شود. اگر تداخل سازنده صورت گرفته باشد، شدت پرتو‌ی پراشیده زیاد شده و در زاویه‌ی خاصی تشکیل قله‌ای را می‌دهد که به آن پیک گفته می‌شود و اگر تداخل ویرانگر صورت گرفته باشد، شدت پرتو‌ی پراشیده کم است.
پراش پرتو ایکس تکنیکی قدیمی و پرکابرد در بررسی خصوصیات مواد بلوری است. XRD برای تعیین عموم کمیت‌های ساختار کریستالی از قبیل ثابت شبکه، هندسه شبکه، تعیین فاز کریستال‌‌ها، تعیین اندازه کریستا‌ل‌‌ها، جهت‌گیری تک‌کریستال، تنش، عیوب شبکه و‌ غیره، قابل استفاده می‌باشد که در جلسه‌ی بعدی به بررسی برخی از آنها پرداخته می‌شود.
از جمله محاسن XRD عدم نیاز به خلاء است که باعث کاهش هزینه‌ی ساخت می‌شود و آن را در مکانی برتر نسبت به تکنیک‌های الکترونی قرار می‌دهد. همچنین XRD تکنیکی غیر‌تماسی و غیر‌مخرب است و نیاز به آماده‌سازی سخت و مشکل ندارد.
از معایب XRD می‌توان به قدرت تفکیک پایین و شدت کم پرتو‌ی پراشیده شده نسبت به پراش الکترونی نام برد. شدت پرتو‌ی الکترونی پراشیده شده درحدود 108 بار بزرگ‌تر از پرتو‌ی XRD است. نتیجه این امر نیاز به استفاده از نمونه بزرگ‌تر و در نتیجه تعیین اطلاعات به صورت میانگین در XRD است (اگرچه با استفاده از پرتوی الکترونی نیز اطلاعات میانگین به دست می‌آیند ولی نیازی به آن نیست).

قدرت تفکیک:
قدرت تفکیک همان رزولوشن یا وضوح تصویر است. قدرت تفکیک در تعریف به معنای کم‌ترین فاصله‌ی بین دو نقطه است که از یکدیگر قابل تفکیک باشند.

در ادامه نمونه‌هایی از طیف XRD ارائه شده و روش تحلیل آنها به صورت ساده بحث می‌شود.

filereader.php?p1=main_8f14e45fceea167a5
شکل 6: نمونه‌ی طیف XRD - در این جا 4 پیک اصلی که محل تداخل سازنده است مشاهده می‌شود.


منابـــع و مراجــــع

http://edu.nano.ir/index.php?actn=papers_view&id=123

B.D. Cullity, "Elements of X-Ray Diffraction", Addison-Wesley Publishing Company, 56-10137 (1956).

R.A. Levy, “principles of solid state physics”, Academic press