กลับไปหน้าบทความ

อ่าน 4 นาที

สมการเชอร์เรอร์

การเลี้ยวเบน

สมการของเชอร์เรอร์ในการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์และผลึกศาสตร์เป็นสูตรที่เชื่อมโยงขนาดของผลึก ขนาดเล็กกว่า ไมโครเมตร ในของแข็งกับการขยายตัวของยอดในรูปแบบการเลี้ยวเบน

สมการเชอร์เรอร์

สมการของเชอร์เรอร์ในการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์และผลึกศาสตร์เป็นสูตรที่เชื่อมโยงขนาดของผลึก ขนาดเล็กกว่า ไมโครเมตร ในของแข็งกับการขยายตัวของยอดในรูปแบบการเลี้ยวเบน มักถูกอ้างถึงอย่างไม่ถูกต้องว่าเป็นสูตรสำหรับการวัดหรือวิเคราะห์ขนาดอนุภาค ตั้งชื่อตามพอล เชอร์เรอร์ [ 1 ] [ 2 ] ใช้ในการกำหนดขนาดของผลึกในรูปผง

สมการของเชอร์เรอร์สามารถเขียนได้ดังนี้:

ที่ไหน:

  • คือขนาดเฉลี่ยของโดเมนที่มีระเบียบ (ผลึก) ซึ่งอาจเล็กกว่าหรือเท่ากับขนาดของเกรนก็ได้
  • เป็นค่าตัวประกอบรูปร่าง ที่ไม่มีมิติ มีค่าใกล้เคียงกับหนึ่ง โดยทั่วไปค่าตัวประกอบรูปร่างจะอยู่ที่ประมาณ 0.9 แต่จะแตกต่างกันไปตามรูปร่างที่แท้จริงของผลึก
  • คือความยาวคลื่นของรังสีเอ็กซ์ ;
  • คือค่าการขยายเส้นสเปกตรัมที่ครึ่งหนึ่งของความเข้ม สูงสุด ( FWHM ) หลังจากหักค่าการขยายเส้นสเปกตรัมที่เกิดจากเครื่องมือแล้ว โดย มีหน่วยเป็น เรเดียนปริมาณนี้บางครั้งอาจใช้สัญลักษณ์;
  • คือมุมแบร็กก์

ความสามารถในการใช้งาน

สมการของเชอร์เรอร์มีข้อจำกัดอยู่ที่ ผลึกขนาด นาโนหรือกล่าวให้แม่นยำยิ่งขึ้นคือ ขนาดของโดเมนที่เกิดการกระเจิงอย่างสอดคล้องกัน ซึ่งอาจเล็กกว่าขนาดของผลึก (เนื่องจากปัจจัยที่กล่าวถึงด้านล่าง) สมการนี้ใช้ไม่ได้กับเกรนที่มีขนาดใหญ่กว่าประมาณ 0.1 ถึง 0.2 ไมโครเมตร ซึ่งทำให้ไม่สามารถใช้กับเกรนขนาดใหญ่ที่พบในโครงสร้างจุลภาค ทางโลหะวิทยาและเซรามิก ส่วนใหญ่ได้

สมการของ Scherrer ให้ขอบเขตล่างของขนาดโดเมนการกระเจิงที่สอดคล้องกัน ซึ่งในที่นี้เรียกว่าขนาดผลึกเพื่อให้อ่านง่ายขึ้น เหตุผลก็คือปัจจัยหลายอย่างสามารถส่งผลต่อความกว้างของยอดการเลี้ยวเบนได้ นอกเหนือจากผลกระทบจากเครื่องมือและขนาดผลึก ปัจจัยที่สำคัญที่สุดมักจะเป็นความเครียดที่ไม่สม่ำเสมอและความไม่สมบูรณ์ของโครงสร้างผลึก แหล่งที่มาของการขยายยอดต่อไปนี้ ได้แก่ การเคลื่อนที่ของดิสโลเคชัน ความผิดพลาดในการเรียงซ้อน การเกิดแฝด ความเครียดระดับจุลภาค ขอบเกรน ขอบย่อย ความเครียดที่สอดคล้องกัน ความไม่สม่ำเสมอทางเคมี และขนาดผลึกที่เล็ก ความไม่สมบูรณ์เหล่านี้และอื่นๆ อาจส่งผลให้เกิดการเลื่อนของยอด ความไม่สมมาตรของยอด การขยายยอดแบบ ไม่สมมาตรหรือผลกระทบอื่นๆ ต่อรูปร่างของยอด[ 3 ]

หากปัจจัยอื่นๆ ที่ส่งผลต่อความกว้างของยอดพีค รวมถึงการขยายตัวเนื่องจากเครื่องมือ มีค่าเป็นศูนย์ ความกว้างของยอดพีคก็จะถูกกำหนดโดยขนาดของผลึกเพียงอย่างเดียว และสมการของ Scherrer ก็จะสามารถนำมาใช้ได้ แต่หากปัจจัยอื่นๆ ที่ส่งผลต่อความกว้างของยอดพีคมีค่าไม่เป็นศูนย์ ขนาดของผลึกอาจใหญ่กว่าที่ทำนายได้จากสมการของ Scherrer โดยความกว้างของยอดพีคที่ "เพิ่มขึ้น" นั้นมาจากปัจจัยอื่นๆ แนวคิดเรื่องความเป็นผลึกสามารถนำมาใช้เพื่ออธิบายผลกระทบของขนาดผลึกและข้อบกพร่องต่อการขยายตัวของยอดพีคโดยรวมได้

แม้ว่าคำว่า "ขนาดอนุภาค" มักถูกใช้ในการอ้างอิงถึงขนาดของผลึก แต่ไม่ควรใช้คำนี้ร่วมกับวิธีการของเชอร์เรอร์ เนื่องจากอนุภาคส่วนใหญ่มักเป็นการรวมตัวกันของผลึกจำนวนมาก และ XRD ไม่ได้ให้ข้อมูลเกี่ยวกับขนาดอนุภาค เทคนิคอื่นๆ เช่นการร่อนการวิเคราะห์ภาพหรือการกระเจิงแสงที่มองเห็นได้สามารถวัดขนาดอนุภาคได้โดยตรง ขนาดของผลึกจึงอาจถือได้ว่าเป็นค่าต่ำสุดของขนาดอนุภาค

การหาอนุพันธ์ของระนาบเรียงซ้อนอย่างง่าย

เพื่อให้เข้าใจที่มาของสมการของเชอร์เรอร์ เราควรพิจารณาตัวอย่างที่ง่ายที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ นั่นคือ ระนาบNระนาบที่แยกจากกันด้วยระยะทางaการหาที่มาสำหรับกรณีง่ายๆ ที่มีมิติเดียวนี้ทำได้ง่าย ขั้นแรก หาค่าแฟกเตอร์โครงสร้างสำหรับกรณีนี้ จากนั้นจึงหาค่าแสดงความกว้างของยอดคลื่น

แฟกเตอร์โครงสร้างสำหรับชุด ระนาบ Nระนาบที่เว้นระยะห่างเท่ากัน

ระบบนี้ซึ่งโดยพื้นฐานแล้ว เป็นผลึกที่สมบูรณ์แบบหนึ่งมิติมีแฟกเตอร์โครงสร้างหรือฟังก์ชันการกระเจิงS(q): [ 4 ]

โดยที่สำหรับระนาบN นั้น :

ค่าแฟกเตอร์โครงสร้างS(qa)สำหรับ ระนาบ N = 31 แสดงให้เห็นยอดแบร็กก์แรกและยอดแบร็กก์ที่สอง เป็นที่น่าสังเกตว่าสำหรับแลตติซที่สมบูรณ์แบบแต่มีจำนวนจำกัด ยอดทั้งหมดจะเหมือนกัน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ยอดทั้งหมดมีความกว้างเท่ากัน นอกจากนี้ ส่วนกลาง (ระหว่างศูนย์ที่อยู่ด้านข้าง) ของแต่ละยอดจะใกล้เคียงกับฟังก์ชันเกาส์เซียนแต่ส่วนที่เป็นซองของการแกว่งเล็กๆ ทั้งสองด้านของยอดนี้จะมีลักษณะเป็นฟังก์ชันลอเรนซ์

ผลรวมแต่ละชุดเป็นอนุกรมเรขาคณิต อย่างง่าย ซึ่งกำหนด, , และอนุกรมอื่นๆ ก็ให้ผลลัพธ์ในทำนองเดียวกันดังนี้:

ซึ่งจะง่ายขึ้นไปอีกเมื่อแปลงเป็นฟังก์ชันตรีโกณมิติ :

และสุดท้ายนี้:

ซึ่งให้กลุ่มยอดเขาที่ โดยแต่ละยอดเขามีความสูง

การกำหนดลักษณะโปรไฟล์บริเวณใกล้จุดสูงสุด และด้วยเหตุนี้จึงสามารถกำหนดความกว้างของจุดสูงสุดได้

จากนิยามของ FWHM สำหรับยอดที่และมีค่า FWHM เท่ากับ, , เนื่องจากความสูงของยอดคือNถ้าเราใช้เครื่องหมายบวก (ยอดมีความสมมาตร ดังนั้นเครื่องหมายใดก็ได้)

และ

ถ้าNไม่เล็กเกินไป ถ้าเล็กแล้วและเราสามารถเขียนสมการเป็นสมการไม่เชิงเส้นเดียวได้สำหรับคำตอบของสมการนี้คือดังนั้น ขนาดของเซตของระนาบจึงสัมพันธ์กับ FWHM ในqโดย

ในการแปลงขนาดผลึกให้อยู่ในรูปของความกว้างของยอดในมุมการกระเจิงที่ใช้ในการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์แบบผงเราสังเกตว่าเวกเตอร์การกระเจิงโดยที่ ในที่นี้คือมุมระหว่างเวกเตอร์คลื่นตกกระทบและเวกเตอร์คลื่นกระเจิง ซึ่งแตกต่างจากในการสแกน ดังนั้นความกว้างของยอดในตัวแปรจึงมีค่าประมาณและดังนั้น

ซึ่งก็คือสมการของเชอร์เรอร์ โดยที่K = 0.88

สิ่งนี้ใช้ได้เฉพาะกับชุดระนาบ 1 มิติที่สมบูรณ์แบบเท่านั้น ในกรณี 3 มิติที่เกี่ยวข้องกับการทดลอง รูปแบบของและดังนั้นยอดจึงขึ้นอยู่กับชนิดของโครงสร้างผลึก และขนาดและรูปร่างของนาโนคริสตัล คณิตศาสตร์พื้นฐานจะซับซ้อนกว่าในตัวอย่างง่ายๆ นี้ อย่างไรก็ตาม สำหรับโครงสร้างและรูปร่างที่เรียบง่าย ได้มีการหาค่า FWHM มาแล้ว เช่น โดยPatterson [ 2 ] เช่นเดียวกับใน 1 มิติ ค่า FWHM จะแปรผันตามส่วนกลับของขนาดลักษณะเฉพาะ ตัวอย่างเช่น สำหรับผลึกทรงกลมที่มีโครงสร้างลูกบาศก์[ 2 ]ปัจจัย 5.56 จะกลายเป็น 6.96 เมื่อขนาดคือเส้นผ่านศูนย์กลางD กล่าวคือ เส้นผ่านศูนย์กลางของ นาโนคริสตัล ทรงกลมมีความสัมพันธ์กับค่า FWHM ของยอดโดย

หรือใน:

การขยายตัวของยอดเนื่องจากความผิดปกติประเภทที่สอง

ขนาดที่จำกัดของผลึกไม่ใช่เหตุผลเดียวที่เป็นไปได้สำหรับยอดที่กว้างขึ้นในการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ความผันผวนของอะตอมรอบตำแหน่งแลตติซในอุดมคติที่รักษาระเบียบระยะยาวของแลตติซจะก่อให้เกิดปัจจัยเดบาย-วอลเลอร์ เท่านั้น ซึ่งจะลดความสูงของยอดแต่ไม่ทำให้ยอดกว้างขึ้น[ 5 ]อย่างไรก็ตาม ความผันผวนที่ทำให้ความสัมพันธ์ระหว่างอะตอมที่อยู่ใกล้เคียงลดลงเมื่อระยะห่างเพิ่มขึ้น จะทำให้ยอดกว้างขึ้น สามารถศึกษาและหาปริมาณได้โดยใช้ระนาบเรียงซ้อนแบบหนึ่งมิติอย่างง่ายเช่นเดียวกับข้างต้น การพิสูจน์เป็นไปตามบทที่ 9 ของตำราของ Guinier [ 5 ]แบบจำลองนี้ได้รับการบุกเบิกและนำไปใช้กับวัสดุหลายชนิดโดย Hosemann และผู้ร่วมงาน[ 6 ]เป็นเวลาหลายปี พวกเขาเรียกความไม่เป็นระเบียบชนิดที่สองนี้ว่า และเรียกการเรียงตัวของผลึกที่ไม่สมบูรณ์นี้ว่า การเรียง ตัวแบบ พาราคริสตัลไลน์ความไม่เป็นระเบียบชนิดแรกเป็นแหล่งที่มาของปัจจัยเดบาย-วอลเลอร์

ในการสร้างแบบจำลอง เราเริ่มต้นด้วยการกำหนดนิยามของแฟกเตอร์โครงสร้าง

แต่ตอนนี้ เพื่อความง่าย เราต้องการพิจารณาผลึกอนันต์ นั่นคือและเราต้องการพิจารณาคู่ของไซต์แลตติส สำหรับค่า ที่มากสำหรับแต่ละระนาบเหล่านี้ จะมี ระนาบเพื่อนบ้านที่อยู่ห่างออกไปสองระนาบ ดังนั้นผลรวมสองชั้นข้างต้นจึงกลายเป็นผลรวมชั้นเดียวเหนือคู่ของเพื่อนบ้านทั้งสองด้านของอะตอม ที่ตำแหน่งและระยะห่างของแลตติสที่ห่างออกไป คูณด้วย ดังนั้น

โดยที่คือฟังก์ชันความหนาแน่นความน่าจะเป็นสำหรับการแยกตัวของระนาบสองระนาบที่อยู่ห่างกันตามระยะห่างของแลตทิซ สำหรับการแยกตัวของระนาบที่อยู่ติดกัน เพื่อความง่าย เราจะสมมติว่าความผันผวนรอบระยะห่างเฉลี่ยของระนาบที่อยู่ติดกันเป็นแบบเกาส์เซียน กล่าวคือ

และเรายังสมมติด้วยว่าความผันผวนระหว่างระนาบหนึ่งกับระนาบข้างเคียง และระหว่างระนาบข้างเคียงนี้กับระนาบถัดไป เป็นอิสระต่อกัน ดังนั้น มันจึงเป็นเพียงการสังเคราะห์ของฟังก์ชันเกาส์เซียนสองตัว เป็นต้น เนื่องจากการสังเคราะห์ของฟังก์ชันเกาส์เซียนสองตัวก็คือฟังก์ชันเกาส์เซียนอีกตัวหนึ่ง เราจึงได้ว่า

ผลรวมที่ได้จึงเป็นเพียงผลรวมของการแปลงฟูริเยร์ของฟังก์ชันเกาส์เซียน ดังนั้น

สำหรับผลรวมนั้นเป็นเพียงส่วนจริงของผลรวมดังนั้นแฟกเตอร์โครงสร้างของผลึกอนันต์แต่ไร้ระเบียบจึงเป็น

กราฟนี้มีจุดสูงสุดอยู่ที่ค่าสูงสุดโดยที่จุดสูงสุดเหล่านี้มีความสูง

กล่าว คือ ความสูงของยอดที่ต่อเนื่องกันจะลดลงตามลำดับของยอด (และดังนั้น) ยกกำลังสอง ต่างจากผลกระทบของขนาดจำกัดที่ทำให้ยอดกว้างขึ้นแต่ไม่ลดความสูง ความไม่เป็นระเบียบจะลดความสูงของยอด โปรดทราบว่าในที่นี้เราสมมติว่าความไม่เป็นระเบียบนั้นค่อนข้างอ่อน ดังนั้นเราจึงยังคงมียอดที่ค่อนข้างชัดเจน นี่คือขีดจำกัดโดยที่ในขีดจำกัดนี้ ใกล้กับยอด เราสามารถประมาณโดยที่และได้

ซึ่งเป็นฟังก์ชันลอเรนซ์หรือโคชีของ FWHM กล่าวคือ FWHM จะเพิ่มขึ้นตามกำลังสองของลำดับของจุดสูงสุด และเช่นเดียวกันกับกำลังสองของเวกเตอร์คลื่นที่จุดสูงสุด ในที่สุด ผลคูณของความสูงของจุดสูงสุดและ FWHM จะคงที่และเท่ากับในขีดจำกัด สำหรับจุดสูงสุดไม่กี่จุดแรกที่ไม่มากนัก นี่คือขีดจำกัด นั่นเอง

ดังนั้นทั้งขนาดจำกัดและความไม่เป็นระเบียบประเภทนี้ต่างก็ทำให้ยอดพีคกว้างขึ้น แต่มีความแตกต่างในเชิงคุณภาพ ผลกระทบจากขนาดจำกัดทำให้ยอดพีคทั้งหมดกว้างขึ้นอย่างเท่าเทียมกัน และไม่ส่งผลต่อความสูงของยอดพีค ในขณะที่ความไม่เป็นระเบียบประเภทนี้ทั้งลดความสูงของยอดพีคและทำให้ยอดพีคกว้างขึ้นในปริมาณที่เพิ่มขึ้นตามขนาด ซึ่งในหลักการแล้วทำให้สามารถแยกแยะผลกระทบทั้งสองได้ นอกจากนี้ยังหมายความว่าสมการของ Scherrer เหมาะที่สุดที่จะใช้กับยอดพีคแรก เนื่องจากความไม่เป็นระเบียบประเภทนี้ส่งผลกระทบต่อยอดพีคแรกน้อยที่สุด

ความยาวของความสอดคล้อง

ในแบบจำลองนี้ ระดับความสัมพันธ์ระหว่างระนาบสองระนาบจะลดลงเมื่อระยะห่างระหว่างระนาบเหล่านั้นเพิ่มขึ้น กล่าวคือ ระนาบสองระนาบที่อยู่ห่างกัน 10 ระนาบจะมีตำแหน่งที่สัมพันธ์กันน้อยกว่าระนาบสองระนาบที่เป็นเพื่อนบ้านกัน ความสัมพันธ์จะกำหนดโดยสำหรับระนาบสองระนาบ ที่อยู่ห่างกัน m ระนาบ สำหรับค่า mที่มากพอระนาบทั้งสองแทบจะไม่มีความสัมพันธ์กัน ในแง่ที่ว่าความไม่แน่นอนในตำแหน่งสัมพัทธ์ของพวกมันมีขนาดใหญ่มากจนเทียบได้กับระยะห่างของแลตติสaซึ่งกำหนดความยาวความสัมพันธ์ซึ่งกำหนดเป็นระยะห่างเมื่อความกว้างของซึ่งเท่ากับaทำให้ได้

ซึ่งในทางปฏิบัติแล้วเป็นการประมาณขนาดของโดเมนของโครงผลึกที่สอดคล้องกัน โปรดสังเกตว่าค่า FWHM ของยอดแรกแปรผันตามดังนั้นความยาวของความสอดคล้องจึงมีค่าประมาณ 1/FWHM สำหรับยอดแรก

อ่านเพิ่มเติม

  • BD Cullity & SR Stock, Elements of X-Ray Diffraction , ฉบับที่ 3, Prentice-Hall Inc., 2001, หน้า 96–102, ISBN 0-201-61091-4.
  • R. Jenkins และ RL Snyder, Introduction to X-ray Powder Diffractometry , John Wiley & Sons Inc., 1996, หน้า 89–91, ISBN 0-471-51339-3.
  • HP Klug และ LE Alexander, ขั้นตอนการเลี้ยวเบนของรังสีเอ็กซ์ , ฉบับที่ 2, John Wiley & Sons Inc., 1974, หน้า 687–703, ISBN 978-0-471-49369-3.
  • BE Warren, การเลี้ยวเบนของรังสีเอ็กซ์ , สำนักพิมพ์ Addison-Wesley, 1969, หน้า 251–254, ISBN 0-201-08524-0[ 4 ]

เอกสารอ้างอิง

  1. พี. เชอร์เรอร์,เกิตทิงเงอร์ นาคริชเทน เกเซลล์. ,ฉบับที่ 2/1918 หน้า 98
  2. ^ a b c Patterson, A. (1939). "สูตรของ Scherrer สำหรับการกำหนดขนาดอนุภาคด้วยรังสีเอ็กซ์" Phys. Rev. 56 ( 10): 978– 982. Bibcode : 1939PhRv...56..978P . doi : 10.1103/PhysRev.56.978 .
  3. ^ AK Singh (บรรณาธิการ), "เทคนิคเอกซเรย์ขั้นสูงในการวิจัยและอุตสาหกรรม", Ios Pr Inc, 2005. ISBN 1586035371
  4. ^ a b Warren, BE (1969). การเลี้ยวเบนของรังสีเอ็กซ์ . เรดดิง, แมสซาชูเซตส์, สำนักพิมพ์ Addison-Wesley.
  5. ^ a b Guinier, A (1963). การเลี้ยวเบนของรังสีเอ็กซ์ซานฟรานซิสโกและลอนดอน: WH Freeman.
  6. ^ Lindenmeyer, PH; Hosemann, R (1963). "การประยุกต์ใช้ทฤษฎีพาราคริสตัลในการวิเคราะห์โครงสร้างผลึกของโพลีอะคริโลไนไตรล์"วารสารฟิสิกส์ประยุกต์ 34 ( 1): 42. Bibcode : 1963JAP....34...42L . doi : 10.1063/1.1729086 .

สรุปเนื้อหา

ข้อมูลสำคัญจากบทความ

ข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับ สมการเชอร์เรอร์

สมการของเชอร์เรอร์ในการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์และผลึกศาสตร์เป็นสูตรที่เชื่อมโยงขนาดของผลึก ขนาดเล็กกว่า ไมโครเมตร ในของแข็งกับการขยายตัวของยอดในรูปแบบการเลี้ยวเบน

ความสามารถในการใช้งาน

สมการของเชอร์เรอร์มีข้อจำกัดอยู่ที่ ผลึกขนาด นาโนหรือกล่าวให้แม่นยำยิ่งขึ้นคือ ขนาดของโดเมนที่เกิดการกระเจิงอย่างสอดคล้องกัน ซึ่งอาจเล็กกว่าขนาดของผลึก (เนื่องจากปัจจัยที่กล่าวถึงด้านล่าง) สมการนี้ใช้ไม่ได้กับเกรนที่มีขนาดใหญ่กว่าประมาณ 0.1 ถึง 0.2 ไมโครเมตร...

การหาอนุพันธ์ของระนาบเรียงซ้อนอย่างง่าย

เพื่อให้เข้าใจที่มาของสมการของเชอร์เรอร์ เราควรพิจารณาตัวอย่างที่ง่ายที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ นั่นคือ ระนาบNระนาบที่แยกจากกันด้วยระยะทางaการหาที่มาสำหรับกรณีง่ายๆ ที่มีมิติเดียวนี้ทำได้ง่าย ขั้นแรก หาค่าแฟกเตอร์โครงสร้างสำหรับกรณีนี้...

แฟกเตอร์โครงสร้างสำหรับชุด ระนาบ Nระนาบที่เว้นระยะห่างเท่ากัน

ระบบนี้ซึ่งโดยพื้นฐานแล้ว เป็นผลึกที่สมบูรณ์แบบหนึ่งมิติมีแฟกเตอร์โครงสร้างหรือฟังก์ชันการกระเจิงS(q): [ 4 ]เอส(q)=1เอ็น∑เจ,เค=1เอ็นอี−ฉันq(xเจ−xเค){\displaystyle S(q)={\frac {1}{N}}\sum _{j,k=1}^{N}\mathrm {e} ^{-iq(x_{j}-x_{k})}}โดยที่สำหรับระนาบN นั้น :...