Про використання модельних дифракційних профілів для аналізу мікроструктури нанокристалічних оксидів металів за даними порошкової дифрактометрії
Анотація
Вивчення мікроструктури нанокристалічних речовин методом порошкової дифрактометрії за фізичним розширенням дифракційних ліній передбачає врахування дифракційних даних стандартних полікристалічних речовин, бажано, однієї природи із досліджуваними з розміром кристалітів, що перевищує 100 нм. У випадках відсутності таких стандартів вдаються до використання існуючої залежності ширини дифракційних піків від кута дифракції для наявного еталону або побудови теоретичних еталонних/інструментальних профілів через параметри колімації рентгенівських променів.
У даній роботі проведено порівняльне дослідження мікроструктури нанокристалічних оксидів титану (анатаз), олова, заліза (магнетит), синтезованих різними способами, за допомогою декількох методів аналізу порошкових дифрактограм. Для оцінки середнього розміру кристалітів досліджуваних оксидів обрано метод Шерера з графічним способом визначення ширини інструментального профілю і врахуванням впливу дублетного випромінювання. Для побудови функцій розподілу кристалітів за розміром і визначення через них середнього розміру кристалітів використано методи профільного аналізу дифракційних спектрів, такі як метод повно профільного моделювання порошкових дифрактограм (WPPM) і метод хорд. За визначеними для стандартного зразку, полікристалічного кремнію, параметрами колімації рентгенівських променів на обладнанні, що використовувалось, і функцією псевдо Войгта, яка найкраще описує профіль рентгенівської лінії, змодельовано інструментальні дифракційні профілі оксидів титану, олова, заліза. На їх основі побудовано функції розподілу кристалітів за розміром за методом WPPM і методом хорд.
Знайдено, що значення середнього розміру кристалітів, одержані методами Шерера, WPPM і хорд, для кожного з оксидів відрізняються в межах одного порядку величини. Так, для оксиду титану це значення знаходиться в межах 12 – 18 нм, для оксиду олова в межах 7 – 10 нм, для оксиду заліза в межах 9 – 12 нм. Аналіз функцій розподілу кристалітів за розміром і значень середнього розміру кристалітів даних оксидів показав доцільність використання різних методів вивчення мікроструктури для уточнення дійсного характеру розподілу кристалітів за розміром і встановлення його зв’язку з умовами і способом синтезу.
Посилання
Bogatyrov V., Borysenko M., Gaeva M., Oranska O., Cherniavska T., Poddenezhny E. Synthesis of nanocomposites MxOy/SiO2: chemical modification of silica with acetylacetonates of iron and cerium. Nanosyst. Nanomater. Nanotech. 2007. 5(2): 425.
Bogatyrov V., Borysenko L., Oranska O., Galaburda M. Nanocomposites МXOY/SiO2 based on fumed silica and Ni, Mn, Cu, Zn, Mg acetates. Him.Fiz. Tehnol. Poverhni. 2009. 15: 294. [In Russian].
Bogatyrev V.M., Gun'ko V.M., Galaburda M.V., Borysenko M.V., Pokrovsky V.A., Oranska O.I., Sergeev V.S., Polshin E.V., Korduban O.M., Leboda R., Skubiszewska-Zięba J.Synthesis and characterization of Fe2O3/SiO2 nanocomposites . J. Colloid Interface Sci. 2009. 338: 376. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2009.06.044
Sulim I.Y., Borysenko M.V., Korduban O.M., Gun'ko V.M. Influence of silica morphology on characteristics of grafted nanozirconia. Appl. Surf. Sci. 2009. 255: 7818. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2009.04.185
Borysenko M.V., Frolova E.K., Borysenko L.I., Sulim I.Y., Galaburda M.V., Bogatyrev V.M. Sol-gel synthesis and optical properties of quartz glasses alloyed by transition metals. Poverhnost. 2013. 5: 174. [In Russian].
Warren B. E. X-ray Diffraction. (Reading: Addison-Wesley Publishing Co., 1969).
Klug H. P., Alexander L. E. X-ray Diffraction Procedures for Polycrystalline and Amorphous Materials. 2nd ed. (NY: Wiley, 1974).
Langford J. I., Louer D. Powder diffraction. Rep. Prog. Phys. 1996. 59: 131. https://doi.org/10.1088/0034-4885/59/2/002
Scherrer P. Bestimmung der Grosse und der inneren Struktur von Kolloidteilchen mittels Rontgenstrahlen. Nachr. Ges. Wiss. Gottingen. 1918. 26: 98.
Williamson G. K., Hall W. H. X-ray line broadening from filed aluminium and wolfram. Acta Metall. 1953. 1: 22. https://doi.org/10.1016/0001-6160(53)90006-6
Warren B. E., Averbach B. L. The separation cold-work distortion and particle size broadening in x-ray patterns. J. Appl. Phys. 1952. 23: 497. https://doi.org/10.1063/1.1702234
Young R.A. ( Eds.). The Rietveld Method. (Oxford: Oxford University Press, 1993).
Mittemeijer E.J., Scardi P. (Eds.). Diffraction Analysis of the Microstructure of Materials. - (Berlin,Heidelberg: Springer-Verlag, 2004). https://doi.org/10.1007/978-3-662-06723-9
Oranska O.I., Gornikov Yu.I., Fesenko T.V. Automated method for determining the average crystallite sizes of polycrystalline solids. Zavodsk. Laborat.1994. 60: 28.[In Russian].
Teilor A. X -ray metallography. (Moscow: Metallurgy, 1965). [In Russian].
Gorelik S.S., Rastorguev L.N., Skakov Yu.A. X-ray diffraction and electron microscopy analysis. (Moscow: Metallurgy, 1970). [In Russian[.
Caglioti G., Paoletti A., Ricci F. P. Choice of collimators for crystal spectrometer for neutron diffraction. Nucl. Instrum.1958. 3: 223. https://doi.org/10.1016/0369-643X(58)90029-X
Leoni M., Confente T., Scardi P. PM2K: a flexible program implementing Whole Powder Pattern Modelling. Z. Kristallogr. Suppl. 2006. 23: 249. https://doi.org/10.1524/zksu.2006.suppl_23.249
Scardi P., Leoni M., Dong Y.H. Whole diffraction pattern-fitting of polycrystalline fcc materials based on microstructure. Eur. Phys. J. B. 2000. 18: 23. https://doi.org/10.1007/s100510070073
Scardi P., Leoni M. Whole powder pattern modeling. Acta Crystall. A. 2002. 58: 190. https://doi.org/10.1107/S0108767301021298
Popović S., Skoko Z. X-ray diffraction broadening analysis. Maced. J. Chem. Chem. Eng. 2015. 34: 39. https://doi.org/10.20450/mjcce.2015.642
De Avillez R.R., Abrantes F.G., Letichevsky S. On the intrinsic limits of the convolution method to obtain the crystallite size distribution from nanopowders diffraction. Mater. Res. 2018. 21: e20170980. https://doi.org/10.1590/1980-5373-mr-2017-0980
Gun'ko V.M., Oranska O.I., Paientko V.V., Sulym I.Ya. Particulate morphology of nanostructured materials. Him. Fiz. Tehnol. Poverhni. 2020. 11(3): 368. https://doi.org/10.15407/hftp11.03.368
Provencher S.W. A constrained regularization method for inverting data represented by linear algebraic or integral equations. Comp. Phys. Comm. 1982. 27: 213. https://doi.org/10.1016/0010-4655(82)90173-4
