پراش پرتو ایکس ( XRD)، روشی قدرتمند است که برای تشخیص فازهای بلوری که در مواد وجود دارند و همچنین برای سنجش ویژگی های ساختاری( وضعیت کرنش، اندازه دانه، epitaxy، ترکیب فازی، جهت گیری ترجیهی و ساختار معیوب )این فازها به کار می رود. XRD همچنین برای تشخیص ضخامت فیلم های نازکو چند لایه ای و آرایش اتمی در مواد آمورف ( شامل پلیمرها) و فصل مشترک ها استفاده می شود.





XRD در سنجش فاصله اتمی دقت بی نظیری ارائه می دهد و روش مطلوب برای تشخیص حالت ها و وضعیت های کرنش در فیلم های نازک است. XRD بدون تماس با ماده عمل می کند و یک روش غیر مخرب می باشد که آن را برای تحقیقات درجا ایده آل می سازد. شدت هایی که با XRD سنجیده می شود می تواند اطلاعات صحیح کمی، از آرایش اتمی در فصل مشترک ها بدست دهد. موادی که از هر عنصری ساخته شده اند را می توان با موفقیت با XRD مطالعه کرد ولی از آنجایی که شدت پراش برای عناصر Zبالا بسیار بزرگتر از عناصر z پایین است، XRD به عناصر Z بالا بسیار حساس است.





با تجهیزات آزمایشگاهی، حساسیت های سطحی تا ضخامت 50 آنگستروم قابل دسترسی است ولی تشعشع سینکروترون (به علت شدت بالاتر آن) اجازه شناسایی فیلم های به مراتب نازک تر را می دهد و برای بسیاری مواد، تنها لایه های تک اتمی را آنالیز می کند. در حالی که ساختار به عنوان تابعی از عمق به صورت عادی در XRD سنجیده نمی شود به کمک روش های ویژه دیگری امکان پذیر است.





در حالیکه XRD غیرمخرب است و می تواند در بیشتر محیط ها استفاده شود، TEM و پراش الکتونی از روش های مخرب هستند ( بنا بر روش های آماده سازی نمونه ) و نیاز مند خلا بالا می باشند (چرا که ذرات هوا در مسیر لشعه الکترونی فرار می گیرند و نتایج حاصل از


آنالیز آنها در نتیجه نهایی تاثیر اجتناب ناپذیر دارد). یکی از معایب XRD در مقایسه با پراش الکترونی شدت پایین پرتوهای پراش یافته به ویژه برای مواد Z پایین است. شدت های معمول پراش الکترونی حدود 108 برابر بزرگتر از شدت های XRD است. به علت شدت های


پراش کم، XRD فیلم های نازک معمولا به نمونه های بزرگ نیازمند است و اطلاعات بدست آمده میانگینی از یک سطح وسیع است.





XRD فیلم های نازک در بسیاری از کلربردهای تکنولوژیکی به علت توانایی تشخیص صحیح کرنش ها و سنجش منحصر به فرد حضور و ترکیب فازها، مهم می باشد. در زمینه رسانا ها و کاربردهای مواد نوری، XRD برای سنجش حالت کرنش، جهت و نقص های فیلم های نازک epitaxial، که ویژگی های الکتریکی و نوری فیلم را تحت تاثیر قرار می دهند، استفاده می شود. برای فیلم های نازک مغناطیسی به منظور شناسایی فازها و تشخیص جهت های ترجیهی، از آنجایی که این موارد ویژگی هی مغناطیسی را مشخص می کنند، بکار میرود.





در کاربردهای متالورژیکی برای شناسایی کرنش ها در لایه های سطح و فیلم های نازک که ویژگی های مکانیکی را تحت تاثیر قرار می دهند، استفاده می شود.

پراش پرتو X

با روش پراش پرتو X، طو ل موج های مختلف را می توان جدا ساخته و اندازه گیری نمود .


چون طول موج های x با فواصل بین اتم ها د ر مواد بلوری برابر است، بنابر این مواد بلوری برای پرتو x می توانند نقش توری پراش را بازی کنند.

در شکل زیر بخشی از تابش پرتو X به سطح بلور توسط اتم های اولین لایه و قسمتی نیز توسط اتم های لایه دوم پراش داده شده است و الی آخر.






بر اساس قانون براگ، فرض می کنیم که شرایط ایده ال در طی پراش حاصل گردد. این شرایط عبارتند از:

-کامل بودن کریستال

این شرایط به طور واقعی وجود ندارد


معمولا یک کریستال وقتی کامل تصور می شود که تمامی مکان های شبکه به وسیله اتم ها اشغال شده باشد و هیچ نقصی در شبکه کریستال وجود نداشته باشد (نقص نقطه ای: جاهای خالی، بین نشینی ها - نقص خطی: نابجایی ها - نقص صفحه ای: مرزدانه ها، نقص های انباشتگی – نقص حجمی: حفرات، رسوب ها)

کریستال ها هرگز کامل نیستند، زیرا آنها حاوی مقادیر گوناگون عیوب تحت شرایط تعادلی می باشند.

- اشعه برخوردی ترکیبی از تابش کاملا موازی و تک طول موج باشد
پهنای پیک پراش اساسا به علت سه فاکتور افزایش می یابد


1.تاثیرات دستگاهی
منابع خارجی گستره پیک های مختلفی را باعث می شود. بنابراین شکل یک پیک ایده آل، یک پیک بدون هیچ
پهنای قابل ملاحظه(شکل a1(2.، به علت اثرات دستگاهی به آنچه در شکل 2.1b نشان داده منتقل می شود

2. اندازه کریستالی
پیک به علت اثر اندازه های کریستالی کوچک عریض می شود.
اندازه مناسب برای پراش پودر معمولا از0.5 میکرون تا 10 میکرون
بنابراین در حضور اثرات ابزاری و اندازه های کریستالی پیک ها را مانند شکل 2.1c گسترده می کنند.

3. کرنش شبکه
اگر تمامی اثرات ذکر شده به طور همزمان در نمونه حضور داشنه باشند، پیک بسیار گسترده خواهد شد. شکل d 2.1



تعاریفی که در این متن استفاده شده است

ارتفاع پیک
FWHM (پهنا در نصف ارتفاع ماکزیمم) پهنا با اندازه گیری پهنای B به رادیان در شدت برابر با نصف شدت ماکزیمم (FWHM ) تخمین زده می شود.
دقت شود که B پهنای زاویه ای بر حسب θ 2 می باشد که یک پهنای خطی نیست.




کاهش پهنای آزمایشگاهی

تاثیر متقابل هر یک از عوامل تاثیرگذار، اندازه کریستالی کوچک و کرنش شبکه، در گستردگی پیک می تواند تنها بعد ازحذف اثر ابزاری از پیک های مشاهده شده تعیین گردد.

معمولا به منظور تعیین میزان پهنای ابزاری، نمونه مجهول را با مقداری دانه های درشت کاملا آنیل شده(بدون کرنش)، پودر استانداردی که اندازه کریستالی آن پهنایی را ایجاد نمی کند، مخلوط می کنند.

برای مثال پودر سیلیکون(یک ماده ترد که می تواند به شکل پودر عاری از کرنش ذخیره شده تولید گردد) با اندازه دانه حدود 10 میکرون که برای رسیدن به این منظور ایده آل است.

بنابراین گستره ی پیک ماده استاندارد به علت ابزاری، دقیقا همان پهنای آزمایشگاهی در الگوی پراش X نمونه مجهول می باشد.