기기분석실험 | XRD - Hanawalt method

 

 

 

TIP

 

 

X선 회절분석에 대해 알아보고 실험을 통해 익힌다. 

 

 

 

X선 회절(XRD)

고속의 전자가 target 원자와 충돌하여 발생 시킨 특성 X선을 사용하여 시료를 분석하는 장치를 말한다. XRD에 사용 되는 특성 X선은 입사되는 고속의 전자가 target 원자의 내각 전자를 여기 시키면 외각의 전자가 내각에 있는 빈자리를 채울 때 전이된 전자의 에너지 준위 차이만큼의 에너지를 가지는 X-선을 의미한다. 특성 X선은 target 물질에 따라 고유의 파장을 가지므로 XRD 분석에 이용된다.

 

 

즉, X-Ray-Diffraction의 약자로써 말 그대로 X선이 회절하는 경우를 말한다. 우선 X-선은 1985년 독일의 물리학자 Roentgen(뢴트겐)에 의해서 발견되었다. X-선의 본질은 빛을 포함해서 라디오파등과 함께 파장이 각기 다른 전자기파에 속한다. X-선은 뢴트겐에 의해 발견된 후 물질의 내부를 밝히는데 있어 단순한 X-선의 투과력에 의한 10^-1㎝ 정도의 해상력(resolution)에 국한하는 'Radiography' 뿐만 아니라 원자구조 수준의 Å(10^-10 m) 정도의 물질의 내부구조를 밝히는데 이용될 수 있다는 소위 "Xray diffraction(XRD)" 현상이 확립된 것은 독일의 Laue에 의한 X-선 회절실험이 성공한 이후이며 이것은 또한 X-선의 파동성과 결정내의 원자의 규칙적인 배열을 동시에 입증한 계기가 되기도 하였다. 그리고 회절이란 파동이 장애물 뒤쪽으로 돌아 들어가는 현상인데 보통 빛에서 회절이 많이 일어난다.

 

XRD는 특수하게 X선을 이용하는데 X선을 결정에 부딪히게 하면 그중 일부는 회절을 일으키고 그 회절각과 강도는 물질구조상 고유한 것으로서 이 회절 X선을 이용하여 시료에 함유된 결정성 물질의 종류와 양에 관계되는 정보를 알 수 있다. 이와 같이 결정성 물질의 구조에 관한 정보를 얻기 위한 분석방법이 X선 회절법이다.

 

예를 들어 만일 결정이 일정한 간격으로 규칙적인 배열을 한 원자로 되어 있고, 또 X선(X-Rays)이 결정내의 원자사이의 거리와 거의 비슷한 파장을 가진 전자파라면, X선(X-Rays)이 결정에 의해서 회절(Diffraction)이 된다. 이것을 맨 처음 실험적으로 성공한 것은 1912년 독일의 von Laue 에 의해서였다. 위의 그림이 예시인데, X선 회절현상을 사용하면 위의 그림과 같은 데이터를 얻을 수 있고 이러한 데이터들은 원자구조를 알아내는데 큰 도움을 준다.

 

또한, XRD 분석의 기본 원리는 Bragg's law이다. 같은 해 영국의 W.H. Bragg는 이를 다른 각도로 해석하여 Laue가 사용했던 수식보다 더욱 간단한 수식으로 회절에 필요한 조건을 Bragg's law (2dSinq=nλ) 로 나타내었으며, 이 X선 회절현상(X-Ray Diffraction)을 이용하여 각종물질의 결정구조를 밝히는데 성공하였다.

 

브래그 법칙은 X-선 파장과 원자 면간거리와의 관계를 나타낸다. 원자는 X-선을 산란시킬 수 있고, 원자들이 많이 있는 경우 모든 원자로부터 산란된 파들이 서로 간섭을 할 수 있다. 만약 산란하는 파가 위상이 일치한다면 파들은 보강간섭을 일으켜 특정한 방향으로 강한 회절선이 생성된다. 이 회절선의 방향은 입사선의 파장과 결정질 시료 특성에 의해 좌우된다.

 

 

두개 이상의 파동 사이에 서로 위상차이가 그 파동의 반파장 만큼 있을 때는 서로 상쇄되어 파동이 사라지나, 위상차이가 파장의 정수배만큼 있을 때는 진폭이 두 배로 되어서 세기가 더 크게 된다. 위의 그림에서 A에서 B까지의 거리는 dSinθ가 되며, 이는 B에서 C까지의 거리와도 같다. 따라서, AB = BC = dSinθ이며, nλ = 2dSinθ를 만족하면 X선(X-Rays)은 회절(Diffraction)되어 강하게 나타나게 된다. 즉, 면간거리는 d라고 하고 X선의 입사각을θ 라고 했을 때 브래그의 법칙은 그림과 같이 확일 할 수 있다. 두 산란파 사이의 경로차 2dSinθ가 파장의 정수배가 되어야 보강간섭이 일어나기 때문이다.

 

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실험 방법

1. 변수 : 시료의 종류 분석 내용 : 시료의 종류, 결정구조

 

2. 시료 제작

1) 아세톤과 에탄올을 이용하여 시료판을 세척한다. 이때 시료판에 남아 있을 수 있는 이물질이 제거된다.

 

2) 분말 상태의 미지시료를 시료판에 넣고 작은 유리판으로 눌러서 넓고 균일하게 충진한다. 시료가 많을 경우에는 유리판을 비스듬히 하여 긁어낸다. 이때 시료면과 시료판이 동일면이 되지 않으면 회절선 위치의 오차가 생기므로, 시료의 표면을 편평하게 해야 한다.

 

 

3. XRD 측정

1) 냉각기를 가동하고 온도를 확인한다.(24.2℃)

 

2) 시료판을 XRD 슬릿에 끼우고 X선 발생장치의 필터를 조작한다. 필터는 6mm, Ni, 1mm 필터를 사용한다.

 

 

3) XRD의 전원을 켠다. alarm 램프가 꺼지면 High voltage를 인가한다. 한 번에 높은 전압을 인가하지 않고 비교적 낮은 전압으로부터 시작하여 천천히 올린다.

 

4) 제어 프로그램에서 실험 조건을 선택하고 XRD를 작동시킨다.

 

 

 

[기기분석실험]XRD - Hanawalt method 레포트