利用X-ray 看透材料原子排列結構世界 - 國家實驗研究院

文章推薦指數: 80 %
投票人數:10人

透過實驗量測得知繞射角度 ,代入布拉格繞射公式,即可求得晶體之晶格常數。

... 而利用繞射峰之半高寬,可用Scherrer equation 公式能計算出晶粒大小。

圖3. 科普講堂 首頁 媒體中心科普講堂利用X-ray看透材料原子排列結構世界 回上一頁 友善列印 字級: 小字級 中字級 大字級 分享: 分享到我的Facebook 分享到我的Twitter 利用X-ray看透材料原子排列結構世界 高能量的X-ray透過繞射物理現象進而分析材料原子排列結構情況。

繞射峰的2theta位置、半高寬、強度等資訊都可以幫助深度了解材料本身的晶體結構、晶粒大小以及成份含量多寡等。

圖1.特性X-ray產生示意圖[1]。

西元1895年,德國科學家倫琴發現了一種未知射線,其射線具有高穿透性,隔著書本還是可以透出光線,而當時不知此神秘射線是為何物,於是取名「X-ray」。

X-ray分成連續X-ray跟特性X-ray,能分析材料晶體結構的則是特性X-ray。

目前我們是用什麼產生特性X-ray呢?將燈絲通入一高壓,產生出高速電子,而後撞擊到金屬靶材,例如銅靶,金屬原子外圍有多層電子軌域,高速電子撞出內層電子,就留下一空缺,此時原子狀態不穩定,因此外層電子則會遞補進內層空缺,此時就有一能量差會釋放出來,此為特性X-ray,如圖1所示[1]。

圖2.布拉格繞射原理示意圖。

X-ray怎麼分析材料晶體結構呢?主要是因為光的繞射現象,當X-ray進入整齊重複排列的原子時,就會產生繞射。

X-ray進入不同層晶面時,其路徑不同,並形成光程差。

假設晶面距離為d,入射角為入射光與晶面間之夾角,當入射光被上下兩層晶面反射,此二反射光即有一光程差2dsin,當光程差等於X-ray波長之整數倍,公式為2dsin=nλ,形成建設性干涉,此為布拉格繞射(Bragg’sLaw,如圖2)。

透過實驗量測得知繞射角度,代入布拉格繞射公式,即可求得晶體之晶格常數。

若原子以不規則排列則為非晶結構,X-ray無法進行繞射,因此無法分析材料;而有規則排列的原子所形成的晶體結構,我們透過繞射峰位置與強度比例,與材料晶體結構資料庫比對,即可知道所量測材料為何,圖3(a)為XRD圖譜,從圖中可得知三個資訊,繞射峰2位置、峰值強度、半高寬,透過這些訊息就可以進行後續分析材料晶體結構,跟圖3(b)JPCDSNo.00-027-1402比對後,確為矽之FCC晶體結構。

而利用繞射峰之半高寬,可用Scherrerequation公式能計算出晶粒大小。

圖3.左:矽粉末之XRD圖譜;右:JPCDSNo.00-027-1402矽晶體結構資料。

綜合以上,利用X光在晶體中繞射的物理現象就可以得知材料本身結構。

所以可以透過不同的光學模組就可以分析粉末、塊材、塗層薄膜、加工過零件以及磊晶材料等。

隱私保護及網站安全政策 Copyright©2022財團法人國家實驗研究院版權所有 關鍵字 首頁 關於國研院任務願景 組織架構 首長介紹董事長 院長 副院長 大事紀要 交通資訊 國研榮耀 研究發展地球環境太空科技 地震工程 海洋探索 資通訊科技半導體產業 儀器科技 高速網路與計算 生醫科技 科技政策 支援政策任務 技術合作技術服務手冊 合作聯繫 技術授權 專利讓與 僑台商專區 科技影響力社會參與 人才培育 媒體中心科普講堂 新聞訊息 活動公告 出版刊物 影音多媒體 電子賀卡 資訊公開 人才招募 LanguageEnglish



請為這篇文章評分?