基本的なX線粉末回折: 高品質なXRDパターンを達成するための方法 – Q&A

X線回折（XRD）は、化学組成、結晶構造、結晶子サイズ、ひずみ、優先配向、層厚さなどの構造情報を明らかにする唯一の実験室技術です。したがって、材料研究者はXRDを使用して、粉末X線回折（XRPD）から固体、薄膜、ナノ材料に至るまで、幅広い材料を分析します。

最終的な目標は、低いバックグラウンドノイズで明確で鋭いピークを持つ良好なXRDパターン結果を得ることです。良好なデータ収集は、次のフェーズであるデータ分析と解釈に向けて非常に重要です。これらは、あなたがどのように影響を引き出し、薬品、鉱山地質学、触媒、特殊化学品のいずれにおいても、材料研究やプロセスの監視における次のステップを決定するかに影響します。先日、我々のシニアアプリケーションスペシャリスト、ダニエル・リー博士が、粉末X線回折の基本についてのウェビナーを通じて説明しました。ウェビナーでは、次の基本について説明しました：

• 結晶構造の重要性
• X線回折計で測定されるもの
• XRDパターンを分析する前の基礎的な結晶学
• X線回折における最も重要な方程式
• 良好なXRDパターンを得るための実際のガイドライン

XRDデータ分析とアプリケーションを向上させたいですか？無料のウェビナーシリーズに参加しましょう:

1. 粉末X線回折の紹介。オンデマンドで見る
2. X線回折を使用したバッテリー正極材料の研究 オンデマンドで見る
3. 粉末XRDアプリケーションを拡大して材料特性研究を実施 オンデマンドで見る
4. 良いデータと悪いデータの違いを知る: XRDデータ分析 – オンデマンドで見る
5. 元素範囲を定義して相検索マッピングを向上: X線蛍光を使用した元素分析の導入。 オンデマンドで見る
6. 材料特性研究を支援するXRD機器の範囲。オンデマンドで見る

利便性のために、ウェビナー中に出された質問をまとめました。

粉末XRDの紹介

XRDパターンのピーク強度とピーク位置の意味を要約していただけますか？

ピーク位置は、理論的なブラッグ角度の周りの強度の極大を指し、この極大の値はピーク強度と呼ばれます。

XRDパターン: 結晶構造からの違い

結晶構造の違いは回折ピークの位置に影響を与えます。したがって、異なる結晶構造を持つ2つの物質は異なるセットのXRDスキャンを生成します。

結晶子サイズが非常に小さいときになぜピークが広がるのですか？

X線ピークは結晶全体の原子の格子和から導かれます。理想的な結晶では、無限の数にわたって和をとることで、コヒーレントスペクトル波長におけるデルタ関数を生成します。ナノ粒子は格子和が回折線に収束することができません。粒子が小さければ小さいほど、回折ピークは広がります。したがって、この広がりを使って粒子サイズを測定することができます。

XRDソフトウェア

異なる相や異なる組成をどのように定量化できますか？ これについて詳細を教えてください。

ピークの位置は単位格子の寸法から、強度はどれだけの電子が存在し、それがどこにあるかから来ます。ソフトウェアですべてが簡単に計算できます。サンプル中に存在する相（混合物）を見つけたら、観測強度と計算強度の差を最小化する必要があります。信頼できる結果が得られるまでフィッティング手順を繰り返します。

How can we name the miller indices in the XRD pattern figure? ­

ソフトウェアについての質問ですか？少なくとも何らかの精密化作業を行ってミラー指数を確認する必要があります。さらにサポートが必要な場合は、こちらにお問い合わせください。

ICDDに結晶構造が見つからない場合はどうすればよいですか？

それは、まだ誰もその材料を発表していないことを意味します。その構造を自分で解決し、発表する必要があります！

ピークを調整するソフトウェアはありますか？

HighScoreとHighScore PlusはMalvern Panalyticalのソフトウェアです。他のブランドのX線回折計からのXRDパターンを分析するために使用できます。

XRD技術

非晶質材料の回折計で、たとえばSiO2のような非晶質ハロが20ºから30ºの間に見られるのは一般的です。ナノ構造SiO2マトリックスコーティングにもこれが観察されますか？

はい、そうです。ただし、ご指摘の通りSiO2の厚さがナノスケールであるため、通常のブラッグ・ブレンタノジオメトリを使用すると見られません。入射角を1〜2度に保ち、2シータ（検出器）のみをスキャンする並列ジオメトリを使用することをお勧めします。この方法でフィルムの表面（スキン）からの回折計を効果的に観察できます。

元素位置によって引き起こされる破壊的な干渉は強度のみを減少させますか、またはピークシフトを引き起こしますか？

強度のみを減少させます。ピークシフトは単位格子のサイズによって引き起こされることがあります。

XRDグラフを解釈するには7つの結晶系を理解することが重要ですか？

もちろん重要ですが、すべてにおいてではありません。最初に自分の構造について理解する必要があります。次に、他の結晶系に知識を拡張し、物理学や結晶学と結びつけてみることができます。

試料のスピニングとは何を意味しますか。ボールミリングや他のものですか？

試料のスピニングは、測定中に試料ホルダーをφ軸で回転させることを意味します。ボールミリングではありません。

XRD技術は選択された平面の反射に依存しますか？

ブラッグ・ブレンタノジオメトリでは、表面に平行な平面または表面に垂直な平面が通常回折に関与できます。ブラッグの法則です。したがって、この技術を使用して薄膜またはサンプルの塊の優先配向を明らかにすることができます。しかし、粉末の場合、何百万もの粒子やグレインがあるため、それらの回折は他のすべてを代表していると仮定できます。

なぜY軸に2シータをプロットするのですか？

2 θは、透過ビームと反射ビーム間の角度です。どの実験でも透過および反射ビームが観測できるため、2 θは実験的に測定可能な量です。しかし、結晶面そのものは観測できません。したがって、θは直接測定することができません。(from the google)

検索範囲の変更はキャリブレーションに影響を与えますか？

質問の意味がよくわかりませんが、通常キャリブレーションとサーチとの間に相関はありません。

XRDを持っていることで、どのようにして顕微鏡との違いを区別できますか？

XRDは結晶学的情報を直接測定しますが、顕微鏡は光学特性と屈折率を測定します。XRDは何百万もの粒子を測定するため、ミクロスコピーとは異なり代表値が得られる上、操作員による誤差も非常に小さいです。

XRDを使用して官能基を検出することは可能ですか？

リンクを参照してください: https://www.intechopen.com/books/recent-advances-in-crystallography/crystal-structures-of-organic-compounds

測定中に基板ピークをどのように取り除くことができますか？

単結晶材料を基板として使用した場合、サンプル準備中にサンプルを少し傾けることができます（約1〜2度）。これにより単結晶基板のピークは表示されなくなります。

ブレーキパッド用途などの複合材料を使用する場合、より正確な結果を得るためにスピニング法を使用する必要がありますか？

粒子のサイズによりますが、多結晶材料ではスピニングは常に有益です！

ソーラスリットは無機結晶ナノ材料にどのように影響しますか？

より小さなソーラスリットを使用する場合、分解能は向上しますが、強度が低下します。

試料準備

粉末サンプルの試料準備について。サンプルの塗り方について説明してください。

サンドペーパーのような粗い表面を持つプレートを用意します。プレートをサンプルに置いて、少し滑らせてプレスした粉末を塗ります。

土壌切断などの材料について話すとき、構造に吸収またはカプセル化された化学物質の影響はどうなるでしょうか？

詳細な状況はわかりませんが、どのような場合でも、高温または高圧の下で材料は表面にカプセル化または吸収されることがあります。おそらく、表面に二次相を作成するためのトリガーが存在したのかもしれません。

サンプルをスピニングしたときに、サンプルの形態にダメージを与えますか？

粒子（グレイン）サイズが数十ミクロンまたは数百ミクロン以上の場合、サンプルをスピニングすることはプロファイルの統計を改善します。それは形態に影響を与えません。

XRD分析のための試料準備中に発生し得る汚染の可能性のある要因は何ですか？それらを克服する方法は何ですか？

通常、XRD分野での汚染問題は非常に低いです。時々、乳鉢でサンプルを研磨すると汚染が発生する場合があります。また、サンプル材料が空気に敏感である場合、空気や湿気を遮断するためにドームサンプルホルダーを使用するのが良いです。

非常に希釈された液体サンプルをガラス基板に塗布しましたが、XRDはガラスのピークしか示しませんでした。液体サンプルのXRDを撮る方法を提案できますか？

通常、希釈液体サンプルは測定できません。XRDの検出限界は約0.5 wt%に過ぎません。

正確な結果を得るためのサンプルの最適な粒子サイズはどれですか？

理論的には1ミクロンメートルが最良ですが、サンプルをスピニングする場合、20 um以下が十分です！

サンプルの体積は1グラム未満ですか？

標準的なサンプルホルダーにはさまざまな寸法の円形開口があります。最も一般的なのは27mmと16mmです。これらは深さが2mmであり、したがって体積を推定することができます。必要なサンプルの重量は材料の密度によります。

サンプルを非常に細かく研削すると、XRDで測定する際にどのような影響がありますか？最良の結果を得るための推奨される研削技術は何ですか？

サンプル粒子は理想的には5〜10ミクロンであるべきであり、研削が推奨されますが、研削には副作用もあります。

強い力で研削すると、いくつかの相が非晶質またはナノ結晶になり、それによりXRDパターンから消えるか、ピークプロファイルが非常に広がります。この効果をもたらす力は、対象となる相の機械的特性によるため、研削中の所要力に対する標準的な回答はありません。繰り返し力を変更した後に連続してXRDスキャンを行うことにより最適化することができます。
極端な場合には、研削によって相変化が引き起こされ、ウルトラフィンによって新しい相の出現が生じることがあります。したがって、研削中に加える機械エネルギーは相変化に必要なエネルギーよりも小さくする必要があります。

XRD管と検出器

1回の分析で何本のX線がサンプルを通過しますか？

数を推定するのは難しいです。しかし、通常何百万ものフォトンが実験室の光源から検出器に検出されると言えます。

X線管からのX線ビームの直径はどのくらいですか。サンプルを何回通過しますか？

通常、X線ビームのサイズは50 umから数十ミリメートルにわたるポイントビームのケースがあります。しかし、粉末回折のために使用するラインフォーカスビームは、12 mm x 0.4 mmのサイズのビームを最初から持っています。サンプルサイズやスキャンの開始角度に応じて、スリットやマスクを使用してサイズを調整することができます。

エンピリアンのBBHDに使用される高解像度管。この管はX’Pert Proの以前の管と何が違いますか？

HR管のフィラメント幅は通常より細いです。したがって、HR管はミラーオプティクスに適しており、より輝かしく、狭い照射エリアを持ちます。

XRDデータ分析と結果

検索範囲が分析に及ぼす影響は何ですか？

制約を設定せずに自由に検索およびマッチング分析を行うと、ソフトウェアが完全に間違った結果を表示する場合があります。XRDは多形体を識別するのが得意ですが、同形体は識別しません。構造的特徴が完全に同一でありながら化学成分が異なる場合、XRDはある意味で盲目になります。XRDデータ分析と結果。

元素位置によって引き起こされる破壊的な干渉が強度のみを減少させるか、またはピークシフトを引き起こすか

強度のみを減少させます。ピークシフトは単位格子のサイズによって引き起こされることがあります。

XRDスペクトルで負のカウントが生じる理由は何ですか？

背景を差し引いた後に負の強度が見られることがあるので、生のデータを取得してみてください。負の強度は物理的には得られません。

不純物の強度がサンプルより高いことは可能ですか？

通常はそうではありませんが、ホスト材料が非晶質形成される場合、不純物はピークとして見えることがあります。

XRDパターンを使用してひずみをどのように計算できますか？

最初に、XRDパターンを140度まで測定する必要があります。次に、ピークのFWHMを分解してサイズとひずみの項に分けるためにWilliamson-Hallの理論に従います。実際的な助けが必要な場合は、データを持って再度お問い合わせください。

XRDパターンに多くのノイズがありますが、より良いXRDパターンのために何をお勧めしますか？

推奨される例は次の通りです：

• サンプルの表面はできるだけ滑らかでなければならない。表面の不均一な散乱からノイズの多い背景が生じる可能性がある。
• 回折ピークのためのデータポイントの数を最適化します。8〜10データタイムが、解析中に回折ピークプロファイルにフィットするのに十分です。これを達成するために、高速スキャンを行い、最も鋭いピークを見つけます。そのFWHMを求めて10で割ります。この数がスキャン時に「ステップサイズ」パラメータとして選択します。これにより、すべてのピークがプロファイルを定義するために10のピークを近く持つことが保証されます。
• サンプルの寸法ごとに、分散スリットとマスクを選択してX線照射領域を最大化します。より小さな照射領域は、回折データが生成されるサンプルのより小さな体積を定義し、回折ピークに対する信号対ノイズ比に影響を与えます。

XRDパターンを使用してひずみをどのように計算できますか？

ひずみは回折ピークプロファイルの拡がりに影響を与えます。ウィリアムソンホールプロットを使用して、これを計算できます。