background image

 

 

Węzły, kierunki i płaszczyzny oznacza się 
używając układu współrzędnych, którego osie 
pokrywają się z trzema krawędziami 
elementarnej komórki w krysztale, a początek 
układu znajduje się w jednym z węzłów sieci, w 
którym przecinają się te krawędzie. Za jednostki 
skali każdej osi przyjmuje się odpowiednie 
długości krawędzi komórki elementarnej.

WSKAŹNIKI MILLERA

Wskaźniki Millera - stanowią ogólnie przyjęty 
system oznaczania węzłów, kierunków i 
płaszczyzn w sieci.

background image

 

 

Wskaźniki węzłów

Określaj położenie dowolnego węzła w sieci 
względem obranego początku układu 
współrzędnych.

background image

 

 

Dla opisania kierunku obiera się prostą 
przechodzącą przez początek układu współrzędnych. 
Kierunek tej prostej jest jednoznacznie określony 
przez wskaźniki [[mnp]] pierwszego węzła, przez 
który ta prosta przechodzi.

Wskaźniki kierunku: [mnp]

Wskaźniki kierunków

background image

 

 

Wskaźniki płaszczyzn

background image

 

 

Jeżeli odcinek odcinany na osi ma wartość ujemną, to 
odpowiadający mu wskaźnik   Millera jest także ujemny. Znak 
minus piszemy nad wskaźnikiem.

- W układzie regularnym kierunek [mnp] jest prostopadły do  
płaszczyzny (mnp).

- Jeżeli płaszczyzna jest równoległa do którejkolwiek osi, to 
wskaźnik odpowiadający tej osi jest równy zeru.

background image

 

 

Sieć odwrotna

Wektory sieci odwrotnej
 
 
Zdefiniowane są jako b

1

b

2

b

3

 :

 
 

3

2

1

2

1

3

3

2

1

1

3

2

3

2

1

3

2

1

a

a

a

a

a

b

a

a

a

a

a

b

a

a

a

a

a

b

2

2

2

(

ij

 jest deltą Kröneckera). 

Jeśli  a

1

  ,  a

2

  ,  a

3

  są  podstawowymi  wektorami  translacji 

sieci  krystalicznej,  to  b

1

  ,  b

2

  ,  b

3

  są  podstawowymi 

wektorami  translacji  sieci  odwrotnej.  Każdy  wektor 
zdefiniowany powyższym wyrażeniem jest prostopadły do 
dwóch 

wektorów 

sieci 

prostej 

(zwanej 

siecią 

rzeczywistą).  Wektory  b

1

,  b

2

,  b

3

  mają  następującą 

własność

 :

background image

 

 

3

2

1

b

b

b

G

l

k

h

Węzły  sieci  odwrotnej  są  wyznaczone  przez 
zbiór wektorów :

gdzie h,k i l są wskaźnikami Millera i są 
liczbami całkowitymi. 

Tak zapisany wektor G jest wektorem sieci 
odwrotnej

Każda struktura krystaliczna ma związane ze 
sobą dwie sieci: sieć krystaliczną prostą i 
sieć odwrotną
. Obraz dyfrakcyjny kryształu 
jest obrazem sieci odwrotnej. Wektory sieci 
prostej mają wymiar długości; wektory sieci 
odwrotnej mają wymiar odwrotności długości. 
Sieć odwrotna jest siecią w przestrzeni 
Fouriera. 

background image

 

 

background image

 

 

background image

 

 

background image

 

 

background image

 

 

background image

 

 

background image

 

 

background image

 

 

background image

 

 

background image

 

 

background image

 

 

Zjawisko dyfrakcji w kryształach

Używane źródła promieniowania

W  badaniach  materiałowych  stosujemy  trzy 
podstawowe techniki dyfrakcyjne:

- dyfrakcję promieni rentgenowskich 

- dyfrakcję neutronów,

- dyfrakcje elektronową 

Długość fali promieniowania rentgenowskiego znajdujemy 
z podstawowej relacji: 

c

gdzie  jest częstotliwością promieniowania.
W  przypadku  strumieni  cząstek  (dyfrakcja  neutronowa  i 
elektronowa) długość fali wyznaczamy z relacji de Broglie’a

:

p

h

gdzie: h jest stałą Plancka, 
zaś p jest pędem cząstek 

background image

 

 

Równanie Bragg’ów 

d

k

i

k

d

Uginanie padającej wiązki 
promieniowania na płaszczyznach 
atomowych w krysztale; k

i

 oraz k

d

 

są wektorami falowymi wiązki 
padającej i ugiętej
 

Kąt padania  definiowany jest jako kąt pomiędzy wiązką a 

płaszczyzną odbijającą wiązkę. Zakładając, że odległość między 
płaszczyznami atomowymi wynosi d, różnica przebytych dróg 
między promieniami „1” i „2” wynosi 2 = 2dsin, a zatem 

wzmocnione wiązki ugięte otrzymamy, jeśli ta różnica dróg 
wyniesie wielokrotność długości fali: 

n

d

sin

2

Wyraźmy powyższy warunek w sposób ogólniejszy. Niech k

i

 

oraz k

d

 będą wektorami falowymi wiązki padającej i ugiętej 

(przypomnimy, że                  ). Wektor k = k

d

 – k

i  

jest 

prostopadły do płaszczyzny uginającej i jego długość wynosi

:

2

k

k

sin

4

i

d

k

k

k

background image

 

 

-k

i

k

d

k

i

 Relacja między wektorami 
k

, k

i

 oraz 

k 

Skorzystajmy z prawa Bragg’ów (dla n=1):          
    . Ostatnie równanie można przepisać:

d

1

sin

2

hkl

d

2

k

Przywołując 

znany 

wynik 

na 

odległość 

międzypłaszczyznową d

hkl

:

 

hkl

G

2

hkl

d

background image

 

 

możemy napisać: 

hkl

G

W  powyższych  relacjach  G

hkl

  jest  wektorem  sieci  odwrotnej 

(o  współrzędnych  h,k,l).  Wiemy  ponadto,  że  wektor  ten  jest 
prostopadły  do  płaszczyzny  sieciowej  (hkl),  podobnie  jak 
wektor  k.  Możemy  zatem  w  powyższym  równaniu  opuścić 

symbol wartości bezwzględnej i otrzymamy:

G

hkl

 

Jest to ogólnie zapisany warunek dyfrakcji. Na warunku tym 
opiera się tzw. konstrukcja Ewalda. 

� � �

� � �

� � �

� � �

� �

� �

� �

� �

� � � � �

k

d

k

i

G

hkl

=k

Załóżmy, że rysujemy wektor k

i

 w ten 

sposób, że jego koniec pokrywa się z 
jednym  z  węzłów  sieci  odwrotnej. 
Następnie 

zakreślamy 

sferę 

promieniu  k

i

.  Jeśli  na  sferze  tej 

znajdzie  się  jakiś  inny  węzeł  sieci 
odwrotnej  to  wskaże  on  kierunek 
wektora  k

d

.  Konstrukcja  ta  wyraża 

geometrycznie  warunek,  że  k  musi 

być równe jednemu z wektorów sieci 
odwrotnej (właśnie G

hkl

)

background image

 

 

background image

 

 

background image

 

 

background image

 

 

background image

 

 

background image

 

 

Geometryczny czynnik 
strukturalny
 

Najczęściej komórka elementarna zawiera więcej niż 
jeden atom i fala ugięta będzie wynikiem 
interferencji na  tych atomach 

a

c

b

0

atom “n”

r

n

Pozycja atomu „n”  
w komórce 
elementarnej
 

Załóżmy,  że  komórka  elementarna  zawiera  N 
atomów,  których  położenia  wewnątrz  komórki 
elementarnej zdefiniowane są wektorami r

n

:

c

b

a

r

n

n

n

n

z

y

x

gdzie a, b, c są wektorami translacji sieci, definiującymi 
komórkę elementarną, a wskaźnik n=1,2,...,N. 

background image

 

 

Czynnik F

hkl

 nosi nazwę czynnika strukturalnego 

dla odbicia na płaszczyznach (hkl):

N

n

n

n

n

n

hkl

)

lz

ky

i(hx

f

F

1

]

2

exp[

Czynnik ten ma podstawowe znaczenie w 
teorii dyfrakcji

. Umożliwia on przewidywanie 

występowania lub nieobecności refleksów 
dyfrakcyjnych od różnych płaszczyzn krystalo-
graficznych, a także proporcje ich intensywności. 
Opisywany przezeń efekt spowodowany jest 
interferencją fal cząstkowych ugiętych na 
poszczególnych atomach komórki elementarnej. 

background image

 

 

W obliczeniach praktycznych, wygodna jest na 
ogół równoważna „rozwinięta” postać wyrażenia 
na F

hkl

N

n

N

n

n

n

n

n

n

n

n

n

hkl

)

lz

ky

(hx

f

i

)

lz

ky

(hx

f

F

1

1

2

sin

2

cos

Zgodnie z teorią fal, intensywność wiązki 
rozproszonej proporcjonalna jest do kwadratu 
modułu jej amplitudy, a zatem również do 
kwadratu modułu czynnika strukturalnego 

2

hkl

F

I 

background image

 

 

Przykłady obliczania czynnika 
strukturalnego

 

Podamy  teraz  trzy  przykłady  obliczania  czynnika 
strukturalnego dla najczęściej spotykanych struktur 
krystalicznych.

Sieć 

regularna 

powierzchniowo 

centrowana (A1) 

Rozważmy  komórkę  elementarną  kryształu  o  sieci 
regularnej powierzchniowo centrowanej, zawierającej tylko 
jeden  rodzaj  atomów  (np.  miedź,  aluminium).  Zawiera  ona 
efektywnie  cztery  atomy,  których  współrzędne  są 
następujące: (0,0,0), (½, ½, 0), (½,0, ½),  (0,½,½).

Komórka 

elementarna 

sieci 

regularnej 

powierzchniowo 
centrowanej.       

Po lewej: pozycje atomów,

Po prawej: atomy 
„efektywne

 

background image

 

 

Wykorzystując definicję czynnika strukturalnego: 

)]

2

l

k

(

2

sin

)

2

l

h

(

2

sin

)

2

k

h

(

2

sin

)

0

[sin(

if

)]

2

l

k

(

2

cos

)

2

l

h

(

2

cos

)

2

k

h

(

2

cos

)

0

[cos(

f

F

hkl

W  równaniu  tym  f  jest  atomowym  czynnikiem  rozpraszania 
atomów tworzących kryształ (tylko jeden rodzaj). Zauważmy, że:
- wszystkie składniki z sinusami są równe zeru (w argumentach 
jest zero bądź wielokrotność ),

- wartość  składników  z  cosinusami  zależy  od  parzystości 
występujących tam sum wskaźników h, k lub l; 
a) jeśli  h,  k,  l  są  tej  samej  parzystości  wtedy  suma  dwóch 
wskaźników jest zawsze parzysta i wtedy F

hkl

=4f,

b) jeśli  h,  k,  l  są  parzystości  mieszanej  wtedy  dwa  składniki  są 
równe 1, a dwa pozostałe –1; w efekcie F

hkl

=0.

background image

 

 

Sieć regularna przestrzennie centrowana 

(A2) 

W tym wypadku sześcienna komórka elementarna zawiera  
efektywnie dwa atomy o następujących współrzędnych: 
(0,0,0) i (½,½,½)

 

Komórka  elementarna  sieci 
regularnej 

przestrzennie 

centrowanej.

 Po lewej: pozycje atomów,

  Po prawej: atomy 
„efektywne

” 

Czynnik strukturalny można zapisać:

)]

2

l

k

h

(

2

sin

)

0

[sin(

if

)]

2

l

k

h

(

2

cos

)

0

[cos(

f

F

hkl

Zauważmy,  że  wszystkie  składniki  z  sinusem  wynoszą  zero, 
pozostają ewentualnie tylko te z cosinusem. I tak:

- jeśli suma trzech wskaźników (h+k+l) jest parzysta to wtedy 
F

hkl

=2f,

-  jeśli  suma  trzech  wskaźników  (h+k+l)  jest  nieparzysta  to 
wtedy F

hkl

=0.

background image

 

 

Sieć heksagonalna (A3) 

Rozważmy czysty metal o sieci heksagonalnej (np. cynk, kadm, 
tytan...). Komórka elementarna tej sieci zawiera efektywnie dwa 
atomy, o następujących współrzędnych: (0,0,0) i ( 1/3,  2/3, 1/2). 
Zauważmy, że tutaj osie translacji (a, b, c) nie tworzą prostokątnego 
układu współrzędnych; kąt między osiami a i b wynosi 120

o

a

b

c

120

0

a

b

c

a

b

c

120

0

Komórka elementarna sieci 
heksagonalnej (wyznaczona 
przez wektory abc). 
Pokazano położenia atomów, 
a także dwa atomy 
„efektywne 

Uzyskujemy  następujące  wyrażenie  na  czynnik 
strukturalny:

)]

2

3

2

(

2

sin

)]

2

3

2

(

2

cos

1

[

l

k

h

i

l

k

h

f

F

hkl

Z uzyskanego wyrażenia widać, że w sieci heksagonalnej: F

hkl 

 

0  (warunek  wystąpienia  refleksu)    jeśli    h+2k3n    lub  l  jest 

liczbą  parzystą  F

hkl 

=  0  (warunek  znikania  refleksu)    jeśli 

h+2k=3n  i (równocześnie)   l jest liczbą nieparzystą

background image

 

 

Dyfraktometria rentgenowska 

Dyfraktometria rentgenowska 

(XRD)

(XRD)

1.Obszary zastosowań XRD

2.Promieniowanie X (rentgenowskie)

3.Teorie dyfrakcji

4.Metody doświadczalne 

dyfraktometrii rentgenowskiej

background image

 

 

Obszary zastosowań XRD

Obszary zastosowań XRD

Krystalografia rentgenowska 

 układ krystalograficzny i klasę dyfrakcyjną,
 parametry komórki elementarnej,
 typ sieci Bravais’a i grupę symetrii przestrzennej,
 pozycje atomów w komórce elementarnej.

Rentgenowska analiza fazowa

 identyfikacja faz krystalicznych,
 skład fazowy próbek krystalicznych,
 rozróżnienie faz stałych amorficznych od 
krystalicznych

background image

 

 

Promieniowanie 

Promieniowanie 

elektromagnetyczne

elektromagnetyczne

radiow
e

mikrofal
e

          IR

UV/VIS

        X

     γ

do 
30cm

300 – 1 
mm

1000 – 
0.77μm

770 – 
10nm

10 – 
0.005nm


0.5nm

Promieniowanie 
rentgenowskie

                 

od 0.05 do 100 

Å

               

w metodzie XRD

                       

0.2 do 2.5 Å

background image

 

 

Lampa rentgenowska

Lampa rentgenowska

background image

 

 

Anody lamp rentgenowskich i 
odpowiadające im filtry
 

Charakterystyka 

Charakterystyka 

promieniowania 

promieniowania 

X

X

background image

 

 

Oddziaływanie promieni X z 

Oddziaływanie promieni X z 

materią

materią

• 

Absorpcja promieniowania 

rentgenowskiego 

 Fluorescencja rentgenowska 
 Rozproszenie promieniowania 
rentgenowskiego 

 Dyfrakcja promieniowania 
rentgenowskiego 

background image

 

 

Równoważność teorii Lauego 

Równoważność teorii Lauego 

i Bragga

i Bragga

Dla:

0

 = 0

o

 ; 

0

 = 90

o

 oraz 

0

 = 90

o

równania Laue`go przyjmą postać:

H = a (cos - 1)        

K = a cos                

L = a cos 

co po podniesieniu do kwadratu i dodaniu 
daje:

2

(H

2

+K

2

+L

2

) = a

2

(cos

2

 +cos

2

+cos

2

)

+a

2

(1-2cos

)

ponieważ: 

cos

2

 + cos

2

 + cos

2

 = 1

cos = cos2 = 1 - 2sin2

 

więc: 

2

 (H

2

 + K

2

 + L

2

) = 4a

2

 sin

                        

H

2

 + K

2

 + L

2

  

4 sin

2

 = 

2

 

  

                                  a

2

  

 

 1        h

2

     k

2

       l

2                

h

2

  +  k

2

  +  l

2

  =    +   +    

   

 d

2

hkl

    a

2

     b

2

      c

2                             

a

2

background image

 

 

Metody doświadczalne 

Metody doświadczalne 

dyfrakcji rentgenowskiej 

dyfrakcji rentgenowskiej 

(XRD) 

(XRD) 

a

) ze względu na wykorzystywane promieniowanie 

rentgenowskie:
         

polichromatyczne

  

    - metoda Lauego,

         

monochromatyczne

   - metoda obracanego kryształu;

                                             -  metoda proszkowa Debey`a-
Scherrera-Hulla (DSH)

b) ze względu na rodzaj badanego materiału:

                

monokryształ      

- metoda Lauego,

                                             - metoda obracanego kryształu.
                

polikryształy

       - metoda proszkowa Debey`a- 

Scherrera-Hulla (DSH).

background image

 

 

Metoda Laue’ego

Metoda Laue’ego

background image

Symetria lauegramów

m

background image

 

 

Metoda obracanego 

Metoda obracanego 

kryształu 

kryształu 

background image

Goniometr czterokołowy - geometria Eulera

background image

Geometria Eulera

Geometria Eulera

Geometria kappa

Geometria kappa

background image

Dyfraktometr 4-kołowy

background image

Dyfraktometr wyposażony w detektor CCD

background image

 

 

Metoda  Debey`a – Scherrera – 

Metoda  Debey`a – Scherrera – 

Hulla (DSH)

Hulla (DSH)

 

 

background image

Metoda Debye'a-Scherrera-Hulla (DSH)

Metoda Debye'a-Scherrera-Hulla (DSH)

background image

Dyfraktometr rentgenowski do badań materiałów 

Dyfraktometr rentgenowski do badań materiałów 

polikrystalicznych

polikrystalicznych

Schemat goniometru

Schemat goniometru

background image

Dyfraktometr 2-kołowy do badań

Dyfraktometr 2-kołowy do badań

materiałów polikrystalicznych

materiałów polikrystalicznych

background image

Przykładowy dyfraktogram proszkowy Al(NH

Przykładowy dyfraktogram proszkowy Al(NH

4

4

)SO

)SO

4

4

·12H

·12H

2

2

O

O


Document Outline