پراکندگی پرتو ایکس با زاویه کوچک SAXS

پراکندگی پرتو ایکس با زاویه کوچک SAXSReviewed by جلالی on Oct 6Rating:

SAXS

 
پراکندگی پرتو ایکس با زاویه کوچک SAXS

۱- مقدمه:
درباره همه چیز : پراکندگی پرتو ایکس با زاویه کوچک (Small Angle X-ray Scattering – SAXS) روشی برای ارزیابی توزیع اندازه ذرات یا حفره های نانومتری پخش شده درنمونه مورد بررسی است. با استفاده از این تکنیک می توان توزیع اندازه ذرات یاتوزیع اندازه حفره های مواد به صورت های مختلف مانند بی شکل (Amrphous materials)؛ بلوری و ماکرومولکول هایی مانند مولکول های پلیمری را برای افت و خیزهای چگالی الکترونی که در نمونه روی می دهد، محاسبه کرد که با تجزیه و تحلیل شدت پرتو ایکس پراکنده شده در محدوده زاویه ای ۰٫۱ تا حدود ۵ درجه این امر امکان پذیر است. ناهمگنی های موضعی در مواد بی شکل؛ ذرات کلوئیدی و ذرات کلوخه شده با استفاده از این تکنیک قابل شناسایی است. با استفاده از SAXS و مدل های ساختاری می توان نظم بلند برد و فاصله میان ذرات را در مجموعه ای از مولکول های پلیمری تعیین کرد. این روش، روشی غیر مخرب است که با استفاده از آن می توان نمونه هایی را که در برابر نور مرئی شفاف نیستند را مطالعه کرد. SAXS می تواند ذرات یا حفره هایی با اندازه ۱ تا ۱۰۰ نانومتر را شناسایی کند، هر چند برای ذرات با اندازه های خارج از این بازه نیز قابل استفاده است.با استفاده از آناندازه ذرات با اندازه های ۱ تا ۱۰ نانومتر را می توان با دقت بیشتری تعیین کرد. با در نظر گرفتن شکل ذرات یا حفره ها می توان اندازه متوسط را به دست آورد. در کنار تعیین اندازه، توزیع اندازه و شکل ذرات؛ با استفاده از SAXS می توان نسبت سطح به حجم نمونه را نیز تعیین کرد.
جدول ۱ مقایسه روش SAXS با سایر روش هایی که برای بررسی اندازه ذرات به کار گرفته می شود را نشان می دهد.
جدول ۱- مقایسه میان روش های مختلف ارزیابی توزیع اندازه ذرات.
filereader.php?p1=main_83f1535f99ab0bf4e

 
نمونه ای را در نظر می گیریم که دارای افت و خیزهای چگالی از مرتبه نانومتر در داخل زمینه ای است که معمولا ماتریس میزبان نام دارد. مانند کلوئیدها که ذرات در یک محیط آبی پخش شده اند. پرتو ایکس فرودی بعد از برخورد به ذرات در زاویه پراکندگی کوچکِ  ۲θ  که نزدیک به صفر است، پراکنده می شود (شکل ۱).در چنین نمونه ای، اندازه یا توزیع اندازه، شکل ذرات یا طول همبستگی بین ذرات با استفاده از SAXSقابل اندازه گیری است. همان طور که در شکل ۱ مشاهده می شود، پهنای پرتو مستقیم فرودی؛ موقعیت کمترین ۲θ در دسترس را تعیین می کند؛ بنابراین حداقل در راستای عمودی پرتو ایکس فرودی بایستی موازی شده باشد. در ضمن؛ برای آنالیز بهتر است تا جایی که امکان دارد سیگنال ناشی از ماتریکس حذف شود. اگر چنین شرطی اعمال نشود برای آنالیز بایستی داده های حاصل از نمونه مرجع که فاقد ذرات است نیز اندازه گیری شود. تنظیم ضخامت نمونه ها و غلظت ذرات برای داشتن داده با کیفیت بالاترنیز از موارد ضروری است.

 

filereader.php?p1=main_ec6ef230f1828039e
شکل ۱- طرح واره پراکندگی پرتو ایکس با زاویه کوچک (SAXS)

مانند آنالیز بلوری در XRD؛ در SAXS نیز اندازه گیری ها در راستایی که هم راستا با بردار پراکندگی است، اندازه گیری می شود. اگر در توزیع اندازه ذرات، ناهمسانگردی داشته باشیم، نمونه بایستی به گونه ای قرار داده شود که هم جهت با بردار پراکندگی باشد. شکل ۲ نحوه تعیین توزیع اندازه ذرات را با استفاده از SAXS نشان می دهد. برای تعیین توزیع اندازه ذرات، می توان پروفایلی که در آنالیز مشاهده می شود را با پروفایل هایی که بر اساس اندازه و شکل ذرات محاسبه شده اند برازش (Fitting) کرد. 

filereader.php?p1=main_1d665b9b1467944c1
شکل ۲- نحوه اندازه گیری اندازه ذرات در روش SAXS. فلش های دو طرفه نارنجی رنگ بعدی از ماده را نشان می دهد که به وسیله SAXSاندازه آنها ثبت می شود.

 
چنانچه نمونه ای که برای آنالیز با استفاده ازSAXSبه کارگرفته می شود، به صورت لایه نازک روی زیرلایه باشد و تعداد پراکنده کننده ها کافی نباشد یا نتوان با استفاده از چیدمان عبوری اندازه گیری را انجام داد، از چیدمان بازتاب استفاده می شود که در آن برای بررسی سطح ساختارها و با توجه به ضخامت اندک نمونه ها، بایستی سیگنال ضعیف دریافتی به طور موثر جمع آوری شود. از طرفی مساحتی که تحت تابش قرار می گیرد متناسب با ۱/sinθ است که θ زاویه پرتو ایکس فرودی است و بنابراین پرتو ایکس بایستی به طور خراشان (Grazing) (یعنی تقریبا موازی با سطح) و نزدیک به زاویه ای که بازتاب کلی رخ می دهد، به سطح نمونه بتابد تا سهم پراکندگی افزایش یابد. از طرفیدر چیدمان خراشان، سهم بزرگی از پرتو ایکس به وسیله زیرلایه جذب نمی شود. به عبارت دیگر در چیدمان بازتاب، پرتو ایکس فرودی تحت تاثیر بازتاب های چندگانه و پدیده شکست در سطح لایه و فصل مشترک است که تصحیح شدت اندازه گرفته شده با استفاده از تقریب موج بورن ناهموار شده (Distorted Wave Born Approximation=DWBA) انجام می شود. به این روش در آنالیز SAXS ؛ روش پراکندگی پرتو ایکس با زاویه کوچک و فرودی خراشان (Grazing-Incident Small-Angle X-ray Scattering GI-SAXS) گفته می شود. چیدمان هایی که در روش GI-SAXS به کار گرفته می شود در شکل ۳ نمایش داده شده است. برای انجام آنالیز GI-SAXS دانستن مقادیر دقیق پارامترهای فیزیکی مانند ضخامت لایه، چگالی، زبری سطح و زبری فصل مشترک نیاز است. بنابراین انجام آنالیزی مانند(X-ray Reflectivity =XRR) قبل از انجام آنالیز GI-SAXS ضروری است. در چیدمان خارج از صفحه در آنالیز GI-SAXSکه در ستون سمت چپ شکل ۳ نمایش داده شده است، زاویه فرودی با زاویه خروجی برابر است و بازتاب آینه ای رخ می دهد که این چیدمان مشابه چیدمان روشX-ray Reflectivity (XRR) است؛ اما شدت سیگنال آنالیز SAXSدر مقایسه با XRRمعمولا ضعیف است. بنابراین در چیدمان بازتاب آینه ای سیگنال SAXS در مقایسه با سایر سیگنال های تولید شده ناچیز است که حذف سیگنال های مزاحم حاصل از بازتاب آینه ای با ایجاد شرایطی که تساوی زاویه فرودی و خروجی در آن از بین رود؛ انجام می شود. چیدمان داخل صفحه ای در GI-SAXS در ستون سمت راست Error! Unknown switch argument. نشان داده شده است. از آن جایی که آشکارساز در جهت عمود بر بازتاب آینه ای قرار می گیرد؛ بخش قابل ملاحظه ای از سیگنال بازتاب آینه ای با سیگنال SAXS هم پوشانی ندارد. در عوض اثر پرتو ایکس فرود آمده بر سطح نمونه مشاهده می شود. در شکل سمت چپ؛ پرتو ایکس فرودی بایستی در راستای عمودی (در امتداد عمود بر سطح) موازی شده باشد که در چیدمان داخل صفحه ای علاوه بر موازی شدن پرتو ایکس در راستای عمود بر سطح باید در راستای سطح (یعنی در امتداد عمود بر تصویر سمت راست شکل۳) نیز پرتو ایکس موازی شده داشته باشیم که به این منظور از آینه های خاص(confocal-type double parabolic multilayered mirror) استفاده می شود.

 

filereader.php?p1=main_7bc3ca68769437ce9
شکل ۳- دو چیدمان مختلف (سمت راست) داخل صفحه ای و (سمت چپ) خارج از صفحهدر روش GI-SAXS.

نتایج تحلیلی توزیع اندازه ذرات دانه ای (Granular Particles) نیکل در شکل ۴، مشاهده می شود. منحنی خط چین حاصل از تحلیل GI-SAXS با چیدمان داخل صفحه ای است که اندازه در راستای سطح نمونه را نشان می دهد و منحنی دیگر حاصل تحلیل داده های به دست آمده از چیدمان خارج از صفحه ای است که اندازه را در راستای عمود بر سطح نمونه را نشان می دهد. بنابراین، نانوذرات دانه ای نیکل، اندازه و توزیع اندازه همسانگرد با قطر متوسط ۵ نانومتر دارند. 

filereader.php?p1=main_13207e3d5722030f6
شکل۴- توزیع اندازه ذرات نیکل با استفاده از آنالیز GI-SAXS . (خط چین) چیدمان داخل صفحه ای و (خط ممتد) چیدمان خارج از صفحه ای.

نمونه هایی که ساختارهای روی سطح آنها به صورت خطوط یا فضاهایی است که به طور متناوب تکرار می شوند و در ادوات الکترونیکی، نوری یا مغناطیسی به کار گرفته می شوند را می توان با استفاده GI-SAXS مطالعه کرد تا پهنای خطوط، فاصله بین خطوط؛ ارتفاع و عمق ساختارهای متناوب ایجاد شده را به طور دقیق اندازه¬گیری کرد. هر چند این نوع مطالعه با استفاده از میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) و میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) امکان پذیر است اما با استفاده از GI-SAXS می توان متوسط اندازه و یا توزیع اندازه را برای محدوده وسیعی از سطح نمونه به دست آورد.
از آن جایی که پرتو ایکس در کنار حفره های باز؛ حفره های بسته را نیز ارزیابی می کند با استفاده از SAXS می توان تخلخل مواد را تعیین کرد.اگرSAXS در آنالیز مواد نانومتخلخل به کار گرفته شود دقت کمی خواهد داشت.
۲- اجزای تشکیل دهنده سیستم پراکندگی پرتو ایکس با زاویه کوچک و نحوه عملکرد آن

دستگاه SAXS شامل منبع تولید پرتو ایکس، تکفام کننده ها و آشکارساز است. در SAXS پرتو ایکس تکفام شده به نمونه می تابد. در حالی که بخشی از پرتو بدون برهمکنش با نمونه از آن می گذرد و خارج می شود، بخشی از پرتو ایکس پراکنده می گردد. پرتوهای پراکنده شده در موقعیت آشکارساز، طرح پراکنده شده ای از پرتو ایکس را تشکیل می دهند. آشکارساز دو بعدی پرتو ایکس معمولا در پشت نمونه در راستای عمود بر راستای پرتو ایکس اولیه که بر نمونه می تابد، قرار گرفته است.


filereader.php?p1=main_ed92eff813a02a31a
شکل ۵- طرح واره دستگاه SAXS که شامل منبع تولید پرتو ایکس، اپتیک پرتو ایکس به منظور موازی و تکفام کردن پرتو ایکس و آشکارساز دوبعدی است.

طرح پراکندگی شامل اطلاعات ساختاری نمونه است. مساله اساسی در SAXS، جداسازی شدت ضعیف پرتو ایکس پراکنده شده از پرتو اصلی است که شدت قوی دارد. هر چه زاویه کوچکتر باشد، این جداسازی دشوارتر است زیرا باید مانع از رسیدن پرتوهای پراکنده نشده ای که از نمونه عبور می کنند نیز شود بدون این که پرتوهای پراکنده شده مجاور آنها حذف شوند. از طرفی واگرایی پرتو ایکس در بیشترِ منابع پرتو ایکس رخ می دهد که با متمرکز کردن پرتو، این مشکل بر طرف می شود اما در مورد پرتو ایکس این متمرکز کردن به آسانی قابل انجام نیست. بنابراین موازی سازی در SAXS دارای اهمیت است. دو نوع موازی کننده وجود دارد. (الف) موازی کننده نقطه ای که شکل پرتو ایکس را به صورت نقطه ای روی نمونه می تاباند که پرتوهای پراکنده شده به طور متقارن و مخروطی حول پرتو ایکس اولیه توزیع می شوند و در صفحه آشکارساز به صورت دایره حول پرتو اولیه ظاهر می گردند. (ب) موازی کننده خطی که پرتو ایکس فرودی را در یک بعد محدود می کند که پروفایل پرتو طویل اما به صورت خطی باریک است. حجمی از نمونه که در این حالت تحت تابش قرار می گیرد بسیار بزرگتر از حالتی است که موازی کننده نقطه ای استفاده شود، بنابراین شدت پراکنده شده بیشتر است که سبب می شود زمان اندازه گیری در صورتی که موازی کننده خطی استفاده شود کوتاه تر از حالتی باشد که موازی کننده نقطه ای به کار گرفته می شود.۳- اصول اندازه گیری توزیع ذرات
هنگامی که چگالی الکترونی ذرات؛ متفاوت از چگالی الکترونی محیط در بردارنده آنها باشد، پدیده پراکندگی رخ می دهد. پروفایل پراکندگی، (I(q، برابر با مربع قدرمطلق تبدیل فوریه افت و خیزهای چگالی الکترونی،(F(q، است.

 
filereader.php?p1=main_7f6711cf763cf8d56

که برای ذرات کروی با قطر D و تفاوت چگالی الکترونی ρ∆ با محیط دربردارنده آن و بردار پراکندگی q داریم:

filereader.php?p1=main_8c6d22ff6f63fc671

θ زاویه پراکندگی و λ بردار موج پرتو ایکس است. برای هر نمونه ای توزیعی از اندازه ذرات وجود دارد که اثر این توزیع به صورت تابعی در تابع (F(q ضرب می شود.شکل ۶ طرح پراکندگی پرتو ایکس با زاویه کوچک را نشان می دهد که به صورت شدت پراکندگی بر حسب زاویه پراکندگی است. با استفاده از این طرح، اندازه ذرات دو نمونه مختلف شامل نانوذره های طلا اندازه گیری شده است.

filereader.php?p1=main_c6c27fc98633c8257
شکل ۶-شدت پراکندگی پرتو ایکس بر حسب زوایای کوچک که با استفاده از آن اندازه ذراتی با اندازه ۱۵ و ۳۵ نانومتر اندازه گیری شده است.


۴- آماده سازی نمونه
مواد مورد مطالعه در SAXS می توانند جامد، مایع یا موادی باشند که شامل حوزه های جامد، مایع یا گاز هستند. نه تنها ذرات،بلکه ساختارهای منظم را نیز می توان با استفاده از آن بررسی کرد. تکنیک SAXS نیاز به آماده سازی خاصی ندارد و در دمای اتاق قابل انجام است و در مورد نمونه هایی که به صورت لایه هستند می توان آنها را به طور مستقیم در دستگاه قرار داد و ارزیابی کرد.همچنین این آنالیز در مدت کوتاهی در حد چند دقیقه پایان می یابد. با استفاده از SAXS می توان هم نمونه هایی که توزیع اندازه باریک (monodisperse) و هم نمونه هایی که توزیع اندازه آنها مختلف (polydisperse) است را بررسی کرد.در نمونه های با توزیع باریک اندازه، شکل و ساختار داخلی ذرات قابل تعیین است و در نمونه های با توزیع اندازه مختلف (polydisperse) با فرض هم شکل بودن تمامی ذرات؛ توزیع اندازه قابل محاسبه است.

نمایه ها : پراکندگی پرتو ایکس با زاویه کوچکSAXSاندازه‏ ی ذراتتوزیع اندازه ذراتتخلخل

منابـــــع :

  • ۱٫ AyaOgi and Katsuhiko Inaba, “X-ray thin-film measurement techniques: Small Angle X-ray Scattering”, The Rigaku Journal, 27(1), 2011, 1-5.
  • ۲٫ Akito Sasaki, “Size Distribution Analysis of Nanoparticles Using Small Angle X-Ray Scattering Technique”, The Rigaku Journal, 22(1), 2005, 31-38.
  • ۳٫ K. Omote, Y. Ito and S. Kawamura, Appl. Phys. Lett.,82 (2003) 544.


سایتی به وسعت همه چیز که در اون سعی میکنم تجربیات و مطالب در خور توجه رو که دوستشون دارم قرار بدم و امیدوارم با پیشنهادات و انتقادات خودتون من رو راهنمایی کنید. با تشکر


پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

دوست داری سایت خودتو داشته باشی همین الان این کار رو بکن
امتیاز دهید:
به این صفحه

به این سایت
برای محبوب کردن سایت روی 1+ کلیک کنید