X선 회절(X-ray diffraction, XRD)은 화학 조성, 결정 구조, 미결정 크기, 변형, 선호하는 방향 및 층 두께와 같은 구조 정보를 밝혀내는 유일한 실험실 기술입니다. 따라서 재료 연구원들은 분말 X선 회절(XRPD)에서 고체, 박막 및 나노물질에 이르기까지 다양한 재료를 분석하기 위해 XRD를 사용합니다.

작성자 Daniel Lee, Thursday, 14th May 2020

결국, 목표는 명확하고 선명한 피크와 낮은 배경 소음을 가진 좋은 XRD 패턴 결과를 얻는 것입니다. 좋은 데이터 수집은 데이터 분석 및 해석의 다음 단계로 중요합니다. 이는 재료 연구 및 산업 감시에 있어 함의를 도출하고 다음 단계를 결정하는 데 영향을 미칩니다. 우리의 선임 응용 전문가인 Dr. Daniel Lee는 이전에 분말 X선 회절의 기초에 대해 논의했습니다. 웹 세미나 동안 그는 기초에 대해 다루었습니다:

결정 구조의 중요성
X선 회절계로 측정하는 것
XRD 패턴 분석 전의 기본 결정학
X선 회절의 가장 중요한 방정식
좋은 XRD 패턴을 얻기 위한 실용적인 지침

XRD 데이터 분석 및 응용에 관심이 있으신가요? 무료 웹세미나 시리즈에 참가하세요:

분말 X선 회절을 위한 입문. 온디맨드 보기
X선 회절을 이용한 배터리 음극재 연구 온디맨드 보기
재료 특성화 연구를 위한 분말 XRD 응용 확장하기 온디맨드 보기
좋은 데이터와 나쁜 데이터를 구분하기: XRD 데이터 분석 – 온디맨드 보기
원소 범위를 정의하여 단계 검색 매핑 개선하기: X선 형광을 사용한 원소 분석 소개. 온디맨드 보기
재료 특성화 연구를 지원하는 다양한 XRD 기기. 온디맨드 보기

편의를 위해 웹세미나 동안 제기된 질문들을 정리해두었습니다.

분말 XRD 소개

XRD 패턴에서 피크 강도와 위치의 의미를 요약해 주시겠습니까?

피크 위치는 이론적인 브래그 각도 주위의 강도의 최댓값을 나타내며, 이 최댓값은 피크 강도로 정의됩니다.

XRD 패턴: 결정 구조와 어떻게 다른가?

결정 구조의 차이는 회절 피크의 위치에 영향을 미칩니다. 따라서 다른 결정 구조를 가진 두 물질은 서로 다른 XRD 스캔 세트를 생성합니다.

미결정 크기가 매우 작을 때 피크가 넓어지는 이유는 무엇인가요?

X선 피크는 전체 결정 원자에 대한 격자 합에서 파생됩니다. 이상적인 결정체에서는 무한한 수의 합으로 상관된 스펙트럼 파장에서 델타 함수를 생성합니다. 나노입자의 경우 원자가 훨씬 적기 때문에 격자 합이 회절 선으로 수렴할 수 없고 넓어지게 됩니다. 입자가 작을수록 회절 피크가 더 넓어집니다. 따라서 피크 넓어짐을 통해 입자 크기를 측정할 수 있습니다.

XRD 소프트웨어

어떻게 서로 다른 상 또는 구성 요소를 정량화할 수 있나요? 이에 대해 더 설명해 주실 수 있나요?

피크의 위치는 단위 셀의 크기에서 나오고, 강도는 전자가 얼마나 있고 어디에 있는지에 따라 결정됩니다. 따라서 모든 것은 소프트웨어에서 쉽게 계산할 수 있습니다. 샘플(혼합물)에서 어떤 상이 존재하는지 알게 되면, 이미 피크의 위치를 알고 있기 때문에 관찰된 강도와 계산된 강도 사이의 차이를 최소화하여 신뢰할 수 있는 결과를 얻을 때까지 순환 적합화 절차를 통해 피팅합니다.

XRD 패턴 그림에서 밀러 지수를 어떻게 명명할 수 있나요?

소프트웨어에 대해 묻고 있는 경우, 밀러 지수를 보려면 수정을 일부 수행해야 합니다. 도움이 더 필요하면 문의하십시오.

ICDD에서 결정 구조를 찾을 수 없는 경우 어떻게 해야 하나요?

아직 그 자료가 출판되지 않았음을 의미합니다. 스스로 구조를 해결해야 하며, 출판하십시오!

피크를 조정할 수 있는 소프트웨어가 있나요?

Malvern Panalytical의 소프트웨어인 HighScore 및 HighScore Plus를 사용하실 수 있습니다. 이 소프트웨어는 다른 브랜드의 X선 회절계에서 XRD 패턴을 분석하는 데 사용할 수 있습니다.

XRD 기술

비정질 물질, 예를 들어 SiO2,의 회절도에서 비정질 헤일로가 20º와 30º 사이에 나타나는 것이 일반적인데, 이는 나노구조화된 SiO2 매트릭스 코팅에서도 관찰될까요?

네, 그렇습니다. 하지만, 말씀하신 것처럼 SiO2의 두께가 나노 스케일이라면, 일반적인 브래그-브렌타노 기하학을 사용할 때는 보이지 않을 것입니다. 입사각을 1~2도 정도로 유지하고 2세타(검출기)만 스캔하는 평행 기하학을 사용하는 것을 추천합니다. 따라서 필름의 표면(피부)에서 나오는 회절도를 효과적으로 관찰할 수 있습니다.

엘리먼트 위치로 인한 파괴 간섭이 강도만 감소시키고 피크 이동을 발생시키나요?

강도만 감소시킵니다. 피크 이동은 단위 셀의 크기에 의해 발생할 수 있습니다.

XRD 그래프 해석에 7가지 결정 시스템을 이해하는 것이 중요한가요?

물론이죠, 그러나 모든 경우에서 필요한 것은 아닙니다. 우선 자신의 구조에 대해 이해해야 합니다. 그런 다음 물리학 및 결정학과 연결하여 다른 것을 확장할 수 있습니다.

샘플의 회전은 무엇을 의미하나요? 볼 밀링 또는 다른 것인가요?

샘플을 회전하는 것은 측정 중에 샘플 홀더를 파이 축으로 회전할 수 있음을 의미합니다. 볼 밀링이 아닙니다.

XRD 기술은 선택된 평면의 반사에 의존한다는 뜻인가요?

브래그-브렌타노 기하학에서 표면과 평행하거나 표면에 수직인 평면이 일반적으로 회절에 관여할 수 있습니다. 이것이 우리가 이 기술을 사용하여 얇은 필름이나 샘플의 벌크에서 선호하는 방향을 밝혀낼 수 있는 이유입니다. 그러나 분말의 경우, 수백만 개의 입자와 결정이 존재하므로, 이러한 회절이 다른 모든 것을 대표할 수 있다고 가정할 수 있습니다.

2 세타를 y축에 그리는 이유는 무엇입니까? 세타 대신에 

2 θ은 전달된 빔과 반사된 빔 사이의 각도입니다. 실험에서도 전달된 빔과 반사된 빔은 관측할 수 있어, 2 θ는 실험적으로 측정 가능한 양입니다. 그러나 결정학적 평면은 관측할 수 없습니다. 따라서 θ는 직접적으로 결정될 수 없습니다. (구글 참고)

탐색 범위의 변화가 보정에 영향을 미칩니까?

질문의 의미를 잘 이해하지 못하겠습니다. 그러나 일반적으로 보정과 탐색 사이에는 상관관계가 없습니다.

XRD를 통해 이를 현미경과 어떻게 구별할 수 있을까요?

XRD는 결정학적 정보를 직접 측정하는 반면, 현미경은 광학적 특성과 굴절률을 측정합니다. XRD는 수백만 개의 입자를 측정하여 대표 값을 가지며, 현미경과는 다르게 아주 작은 작업자 오류를 가지고 있습니다.

XRD를 사용하여 기능적인 그룹을 감지할 수 있습니까?

다음 링크를 참조하세요: https://www.intechopen.com/books/recent-advances-in-crystallography/crystal-structures-of-organic-compounds

측정 중 기판 피크를 어떻게 제거합니까?

단결정 물질을 기판으로 사용했다면, 샘플을 준비하는 동안 약간 기울일 수 있습니다(약 1 ~ 2도 정도). 그러면 단결정 기판에서 피크가 보이지 않을 것입니다.

브레이크 패드 응용과 같은 복합재료를 사용하는 경우, 더 정확한 결과를 위해 회전 방법을 사용해야 합니까?

입자의 크기에 따라 다릅니다. 그러나 다결정 재료인 경우 회전은 항상 유익합니다!

솔러 슬릿이 무기 결정 나노물질에 미치는 영향은 무엇입니까?

작은 솔러 슬릿을 사용하면, 강도를 희생해서 더 나은 해상도를 달성할 수 있습니다.

샘플 준비

분말 샘플을 준비할 때, 샘플을 칠하는 것에 대해 언급하셨는데, 어떻게 하나요?

모래지와 같은 거친 표면을 가진 판을 준비할 수 있습니다. 그런 다음 판을 샘플 위에 올려놓고 약간 밀어 가며 압축된 분말을 칠할 수 있습니다.

토양 편절물과 같은 재료에 대해서 이야기하자면, 구조에 캡슐화되거나 흡수된 화학 물질의 영향은 무엇일 수 있습니까?

자세한 상황을 잘 모르지만, 어떤 경우든 재료는 고온이나 고압에서 물질의 표면에 캡슐화되거나 흡수될 수 있습니다. 아마도 표면에 이차 상을 형성하게 하는 트리거가 있었을 것입니다.

샘플을 회전할 때 샘플의 형태에 손상을 가하나요?

입자(곡물) 크기가 수십 또는 수백 마이크론 이상인 경우 샘플을 회전하는 것이 프로필에서 더 나은 통계를 제공합니다. 이는 형태에 영향을 미치지 않습니다.

XRD 분석을 위한 샘플 준비 시 발생할 수 있는 오염의 가능한 요인과 이를 해결하는 방법은 무엇입니까?

통상적으로 XRD에서는 오염 문제가 매우 적습니다. 때때로 절구를 사용하여 샘플을 갈아낼 때 오염이 발생할 수 있습니다. 만약 샘플이 공기 민감성이 있는 경우, 공기와 습기를 차단하기 위해 돔 샘플 홀더를 사용하는 것이 좋습니다.

매우 희석된 액체 샘플을 유리 기판에 인용했지만 XRD는 유리 피크만 보여 주었습니다. 액체 샘플의 XRD를 측정하는 방법을 추천해 주시겠습니까?

보통 희석된 액체 샘플은 측정할 수 없습니다. XRD의 감지 제한 값은 약 0.5 wt%입니다.

정확한 결과를 얻기 위한 샘플의 최적 입자 크기는 무엇입니까?

이론적으로 1마이크론이 가장 좋습니다. 하지만 샘플을 회전하는 경우 20 마이크론 이하도 충분히 좋다고 할 수 있습니다!

샘플의 부피는 얼마인가요? 1g 이하인가요?

표준 샘플 홀더는 다양한 차원의 원형 구멍을 가지고 있습니다. 가장 인기 있는 것들은 27mm와 16mm입니다. 이들은 2mm 깊이로, 따라서 이에 따라 부피를 추정할 수 있습니다. 필요한 샘플의 무게는 물질의 밀도에 따라 다릅니다.

샘플을 아주 곱게 갈아낼 경우, XRD로 측정할 때 어떤 일이 발생할 것이며, 최상의 결과를 얻기 위한 권장하는 갈기 기술은 무엇입니까?

샘플 입자는 이상적으로는 5-10 마이크론이어야 하며, 갈기는 권장되지만 갈기는 부작용도 있습니다.

강한 힘으로 갈 경우, 일부 상이 비정질형태 혹은 나노결정형태로 변할 수 있어 XRD 패턴에서 사라지거나, 피크 프로필이 매우 넓어지는 등 영향을 줄 수 있습니다. 갈 때 발생하는 힘의 크기는 질문에 해당하는 상의 기계적 특성에 따라 달라지므로 갈 때 필요한 힘에 대한 표준 답변은 없습니다. 연속적인 XRD 스캔을 통해 갈기의 힘을 반복적으로 변경하여 최적화할 수 있습니다.
극단적인 경우, 갈기로 인해 상 변화가 발생하여 새로운 상이 나타날 수 있습니다. 따라서 갈기 중 기계적인 에너지는 상 변화에 필요한 에너지보다 작아야 합니다.

XRD 튜브 및 검출기

한 번의 분석에 샘플을 통과하는 X선은 몇 개인가요?

정확하게 수량화하기는 어렵습니다. 하지만 실험실 소스를 사용하여 수백만 개의 광자가 검출기에서 감지될 것입니다.

X선 튜브에서 X선 빔의 직경은 얼마이며, 몇 번 샘플을 통과합니까?

일반적으로 X선 빔의 크기는 포인트 빔의 경우 50 마이크론에서 몇 백 밀리미터까지 변합니다. 그러나 우리는 초기부터 12 mm x 0.4 mm 크기의 선초점 빔을 사용하여 분말 회절을 위해 사용합니다. 샘플 크기 및 스캔 시작 각도에 따라 조정을 피하기 위해 슬릿 및 마스크를 사용하여 크기를 조정할 수 있습니다.

Empyrean의 BBHD에 사용된 고해상도 튜브는 이전의 X’Pert Pro의 튜브와 다릅니다. 차이는 무엇입니까?

HR 튜브의 필라멘트 폭은 일반 튜브보다 더 얇습니다. 따라서 HR 튜브는 미러 기반 광학에 적합하며 더 밝고 좁은 조사된 영역을 가지고 있습니다.

XRD 데이터 분석 및 결과

분석에 탐색 범위의 효과는 무엇입니까?

제약 없이 검색 및 매칭 분석을 자유롭게 수행하면 소프트웨어가 완전히 잘못된 결과를 보여줄 수 있습니다. XRD는 이성적 동질체보다는 형태이성체를 구별하는 데 뛰어납니다. 구조적 특성이 정확히 동일하지만 화학적 조성이 다른 경우 XRD는 눈이 멀게 됩니다. XRD 데이터 분석 및 결과입니다.

엘리먼트 위치로 인한 파괴적 간섭이 강도만 감소시키거나 피크 이동을 발생시키나요

강도만 감소시킵니다. 피크 이동은 단위 셀의 크기에 의해 발생할 수 있습니다.

XRD 스펙트럼에서 음수 카운트의 이유는 무엇입니까?

배경을 빼낸 후 음의 강도를 볼 수 있습니다. 따라서 원시 데이터를 얻어보세요. 음의 강도는 물리학에서 결코 나타나지 않습니다.

불순물의 강도가 샘플보다 더 높을 수 있습니까?

일반적으로 그렇지 않습니다. 그러나 호스트 물질이 비정질 형성된 경우 불순물은 피크로 나타날 수 있습니다.

XRD 패턴을 사용하여 스트레인을 어떻게 계산할 수 있습니까?

첫째로, XRD 패턴을 140도까지 측정해야 합니다. 그런 다음 Williamson-Hall 이론에 따라 피크의 FWHM을 크기 및 변형 항으로 분해할 수 있습니다. 실용적인 도움이 필요하다면 데이터를 가지고 다시 문의해 주세요.

XRD 패턴에서 많은 노이즈가 발생하네요, 더 나은 XRD 패턴을 위해 무엇을 추천하나요?

다음 권장 사항을 따르세요:

샘플의 표면은 가능한 한 매끄러워야 합니다. 불규칙한 표면에서의 산란으로 인한 노이즈 배경이 결과로 나올 수 있습니다.
회절 피크의 데이터 포인트 수를 최적화하세요. 분석 중에 회절 피크 프로필을 적합시키기 위해 8-10개의 데이터 점이 충분합니다. 이를 달성하기 위해 빠른 스캔을 실행하고 가장 날카로운 피크를 찾으세요. FWHM을 확인하고 10으로 나눕니다. 이 숫자를 스캔 중 “단계 크기” 매개 변수를 선택하세요. 이를 통해 모든 피크가 프로필 정의를 위해 близ거피크 10개에 가깝게 유지됩니다.
샘플의 크기에 따라 X선 조사 영역을 최대화하기 위해 분산 슬릿과 마스크를 선택하세요. 작은 조사 영역은 회절 데이터가 생성되는 샘플의 작은 부피를 정의하며, 이는 회절 피크의 신호 대 노이즈 비율에 영향을 미칩니다.