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3. Beugung am Kristall3.1 Beugung mit Photonen, Neutronen, Elektronen
Voraussetzung:Wellenlänge ≈ Gitterabstand
Elektronenenergie in 100 eV
10
1.0
0.11 10 100
Wel
lenl
änge
in A
Photonenenergie in keVNeutronenenergie in 0,01 eV
Analyse von Kristallstrukturen durch die Beugung von:Photonen, Neutronen und Elektronen
Röntgenstrahlung:E = hc/l: l(A) = 12,4/E(eV)
Neutronen*:E = h2/2Mnl2: l(A) = 0,28/[E(eV)]1/2
Elektronen*:E = h2/2mel2: l(A) = 12 [E(eV)]1/2
*de Broglie - BeziehungE = p2/2M; l = h/p
2
konstruktive Interferenz:nl = 2d·sin (Q); (Bragg)
Gitterebenenabstand d ist Funktion derhkl Indizes und desGittertyps
Beugung von Röntgenstrahlen an den hkl-Netzebenen des Kristallgitters
d
(hkl)-Ebenen
Q Q
2QQ
einfallendeRöntgenstrahlen
reflektierteRöntgenstrahlen
orthorhombisch
kubisch
tetragonal
†
1d2 =
h2 + k 2 + l2
a2
1d2 =
h2
a2 +k 2
a2 +l2
c 2
1d2 =
h2
a2 +k 2
b2 +l2
c 2
l = constantmonochromatisch
Q = constantenergiedispersivl/2 l/2
3
3.2 Reziprokes Gitter
G = hA + kB + lC, (h,k,l: ganze Zahlen)
A a = 2"A b = 0A c = 0
•••
B a = 0B b = 2"B c = 0
•••
C a = 0C b = 0C c = 2"
•••
Eigenschaften:
A = 2"b x c
a b x c•B = 2"
c x a
a b x c•C = 2"
a x b
a b x c•
Primitive reziproke Gittervektoren: A, B, C
a, b, c primitive Vektoren des Kristallgitters
Reziproker Gittervektor
Zuordnung der Gesamtheit der Reflexionen zu den Netzebenenscharen hkl des Gitters.Eine Netzebenenschar wird durch einen Vektor dargestellt, der auf der hkl Ebene senkrechtsteht und dessen Länge gleich ist dem reziproken Gitterebenenabstand 1/dhkl.
Alle möglichen primitiven Gittervektoren a, b, c für ein gegebenes Kristallgitter führen zudenselben reziproken Gitterpunkten.
4
Beugungsbedingung im reziproken Gitter
∆k = G oder k + G = k'
•
••• •
••
••
•• •
••• •••
•
•••••••
•
••• •
••
••
•• •
••• •••
•
2qqk'
k
G
Ewaldsche Kugel
Beugungsbedingung
k‘2 = k2 (elastische Streuung)(k + G)2 = k2; 2"/|∆k| = d(hkl)
2k·G = G2
dhkl = 2"/$|G(hkl)|
2 dhkl sin Q = nl
Der Vektor G verbindet zwei Punkte im reziproken Gitter, die denreflektionsfähigen Gitterebenen hkl entsprechen.
q q
q
qk
-k
k‘
∆k
|∆k| = 2k·sin q = (4"/l)· sin q
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Reziprokes krz-Gitter
a‘ = (a/2) (x‘ + y‘ - z‘)b‘ = (a/2) (-x‘ + y‘ + z‘)c‘ = (a/2) (x‘ - y‘ + z‘)
V = 1/2 a3
A‘ = (2"/a) (x‘ + y‘)B‘ = (2"/a) (y‘ + z‘)C‘ = (2"/a) (x‘ + z‘)
Reales kfz-Gitter
Das kfz-Gitter ist das reziproke Gitter des krz-Gitters
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3.3 Brillouin-Zonen
2-dim. Kristallgitter:a = 2 x‘, b = x‘ + 2y‘
x
y
c x a = z‘x (2x‘) = 2y‘b x c = x‘x z‘ + 2y‘x z‘ = -y‘ + 2x‘a · b x c = 4
2-dim. reziprokes Gitter:A = " x‘- 1/2"y‘, B = "y‘
•Reziproker Raum•Verbindung von O zu Nachbarn• Mittelsenkrechte• Kleinstes umgrenztes Flächenelement· erste Brillouin Zone
Erste Brillouin-Zonedes kubisch raum-zentrierten Gitters
RegelmäßigerRhombischesDodekaeder
Brilloiun Zonen sind wichtig beielektronischen Energiebändern in Kristallen.
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3.3 Beugungsverfahren
Röntgen- und Neutronenstrahlen
Der Netzebenenabstand dhkl nimmtmit zunehmender Indizierung hkl ab.Für hochindizierte Netzebenen mussdaher kurzwellige Röntgenstrahlunggenutzt werden.
Intensität einer Wolfram-Röntgenröhre, „weißes“Bremsspektrum mitüberlagertercharakteristischer Kaund Kb Strahlung.
Weißes Spektrum einesNeutronenstrahls auseinem Reaktor. EinMonochromatorselektiert eineWellenlänge l = 1,16A.
8
3.4 Eigenschaften von RöntgenstrahlenIo
I
Energieverlust der Röntgenstrahlung in Materie:• Absorption• Streuung• Paarbildung
†
I = Io ⋅ exp(-mD)
D µ
4209871941.93 Å (Fe)
23049328491.54 Å (Cu)
1405138.55.220.71 Å (Mo)
PbCuFeAlWellenlänge
Massenschwächungskoeffizient µ/r ≈ c* l3 Z3
* c ändert sich sprunghaft an Absorptionskanten
Röntgen-Absorp-tions-spektrum
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Laue-Verfahren zur Einkristallorientierung
Laue Diagramm eines Si-Einkristalsl in 100-Orientierung, 4-zähligeSymmetrieWeisses Röntgenlicht trifft auf einen Einkristall.Der einfallende Strahl
wird in Vorwärts- und Rückwartsstreuung gestreut und auf zweiPlanfilmen registriert. Die Orientierung des Einkristalls kann mit einem Goniometer-Kopf einjustiert werden.
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Debye-Scherrer Verfahren
Pulver-Verfahren, polykristalline Proben
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Röntgen-Goniometer
SiemensHorizontalGoniometer
Bragg-BrentanoFokussierung
Beugungs-reflexe
Röntgen-Röhre
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Textur-Goniometer (nach Lücke) und Beugungsaufnahmen an Gefügestrukturen unterschiedlicherKörnung und Textur
K: Kollimator-RöhrchenB: Probe in Transmissionsrichtung
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3.5 SynchrotronstrahlungRelativistische Teilchen, v ≈ c · tangentiale Abstrahlung von Röntgenstrahlung
Abgestrahlte Leistung:≈ (E/m)4/R2
Öffnungswinkel:
≈ m c2 / E
Frequenzobergrenze:≈ c E3 / (2" m3 c6 R)
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European Synchrotron Radiation Facility, Grenoble
Umfang: 300 m
Umfang: 850 mBeamlines: 32
15
2 3 4 5 6 7Q[Å-1]
.
2150 2200 2250 2300Time [s]
1350
1400
1450
1500
1550
1600
1
2
3
4
11 22
33
44
TLs'TLs'
TLfccTLfcc
TLbccTLbcc
IIIIII
Ni41V59Ni41V59
Inte
nsity
[a.u
.]
(311
)(131
)(4
10)(1
40)
(330
)(3
31)
(411
)(141
)
(312
)(132
)(3
22)(2
32)
(250
)(520
)(5
01)(0
51)
(252
)(522
)(5
32)(3
52)
(551
)(7
21)(2
71)
Tem
pera
ture
[K]
(110)
(200) (211)
(110)
(200)(211)
In situ Beobachtung der Phasenselektionwährend der raschen Erstarrung vonunterkühlten Metallschmelzen
Energiedispersive Beugung, q = const.
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3.6 Elektronenmikroskopie
Auflösungsvermögen:Lichtmikroskop: 338 - 780 nm
Elektronenmikroskop:≈ 0.1 nm
l= h/p = h/(2meeU)1/2
U ≤ MeV
Atomare Auflösung!
Elektronen: Geringes Durchstrahlungsvermögen.Besondere Anforderungen an die Präparation dünner Proben 100-300 nmIonenätzen, Emulsionen, elektrolytisches Polieren
Strahlengang beim Licht- und Elektronenmikroskop:
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Raster-Elektronen-MikroskopElektronenoptische Oberflächen -darstellung mit großer Tiefenschärfe.
Auflösungsvermögen: 10 - 20 nm
Durchmesser der Elektronensonde:≈10 nm
Keine Elektronenbeugung:Abbildung im realen Raum!
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3. 7 Neutronenbeugung
-1,913 µB ÷ Kernspin1/2
Magnetisches Moment
EPhotonen ≈ 8,3 keVENeutronen ≈ 36 meVl = 1,5 Å
l = h/|p| = 2"/kl = h/|m·v| = 2"/kWellenlänge
1,66·10-27 kgRuhemasse
p = hkp = mv = hkImpuls
E = hw = hkc = hc/l= pc
E = h2k2/2mEnergie der Welle
E = mv2/2 = p2/2mKinetische Energie
PhotonenNeutronen
Wechselwirkung der Neutronen mit Elektronen in kondensierterMaterie nur über magnetische Dipol-Dipol Wechselwirkung:• großes Durchdringungsvermögen• strukturelle und magnetische Streuung
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Neutronendiffraktometer
Streulänge von Neutronenändert sich von Element zuElement sprunghaft ÷ hoherKontrast für chemischeOrdnung im Kristall
Elastische Streuung k = k‘:
Strukturuntersuchung, Statik
Inelastische Streuung k ≠ k‘:
Energetische Anregungen, Dynamik
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Elastische Neutronenstreuung an Flüssigkeiten
Ikosaeder:13 AtomeZ = 12Dichteste Packung
Dodekaeder:33 Atome
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3.8 Feldionenmikroskop
Eine feine Metallspitze (Anode,Krümmungsradius r ≈ 100 nm) steht in einemHe-gefüllten Rezipienten einem Leuchtschirm(Kathode, r ≈ 10 cm) gegenüber. ZwischenAnode und Kathode liegt eine Spannung vonetwa 100 kV, vor der Spitze beträgt die elektr.Feldstärke E ≈ 106 V/cm. He-Atome werdenpolarisiert und dadurch ionisiert, werden zumBildschirm beschleunigt und erzeugen dort ein106 fach vergrößertes Abbild der Spitze. Bildeines Atoms an der Spitze ist auf etwa 100 µmvergrößert.
Bild einer Wolframspitze (r ≈ 45 nm). Jeder Lichtfleck entspricht einem Spitzenatom.Die vierzählige Symmetrie des Bildes spiegelt die kubische Kristallstruktur des W wieder.
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3.9 Raster-Tunnel-Elektronen-Mikroskop
Oberfläche einer (111) SiliziumStruktur aufgenommen mit einemTunnel-Elektronen-Mikroskop. DerAbstand benachbarter Höcker bzw.Atome beträgt etwa 0,8 nm.
Raster-Tunnel-Mikroskop:Zwischen der Spitze und derOberfläche fließt derTunnelstrom, derempfindlich vom AbstandSpitze-Oberfläche abhängt.