Röntgenpulverdiffraktometrie

Einführung

Die Pulverdiffraktometrie ist eine Röntgenmethode zur Untersuchung von Zusammensetzung und Struktur von kristallinen Stoffen. Die Probe wird im Allgemeinen fein zermahlen oder zerstoßen und das resultierende Pulver wird in einem Röntgen-Pulverdiffraktometer untersucht. In Abbildung 1 ist ein gängiger Aufbau schematisch dargestellt. Die Probe reflektiert die von der Röntgenröhre ausgesandte Strahlung unter ganz bestimmten Bragg-Winkeln. Der Detektor fährt alle Winkel ab und nimmt bei jedem die Intensität der reflektierten Strahlung auf. Es entsteht eine winkelabhängige Intensitätsverteilung - das sogenannte Diffraktogramm - dessen Maxima als Reflexe bezeichnet werden.




Abbildung 1: Schematische Darstellung einer häufig eingesetzten Strahlgeometrie (nach Bragg und Brentano) für die Pulverdiffraktometrie.

Phasenanalyse

Für die Pulverdiffraktometrie sind Pulverproben geeignet, die durch Mahlen aus größeren Einkristallen entstehen oder die aus der Herstellung direkt als Pulver hervorgehen. Die Präparation kann auf einem ebenen Probenträger erfolgen, wie es für den Aufbau in Abbildung 1 erforderlich ist. Das für eine bestimmte Probe erhaltene Diffraktogramm kann mit Hilfe einer Datenbank bekannter Substanzen identifiziert werden. Besteht eine Probe aus mehreren Substanzen oder Phasen, kann deren jeweiliger Anteil ermittelt werden, was meist durch eine Rietveld-Verfeinerung geschieht. Dabei wird ein theoretisches Diffraktogramm anhand der bekannten Kristallstruktur berechnet, wobei die Strukturparameter mit Hilfe der Methode der kleinsten Fehlerquadrate so optimiert werden, dass die Messwerte mit der Theorie übereinstimmen.

Weitere Auswertungsmöglichkeiten

Abgesehen von der Phasenanalyse erlaubt es diese Methode bei bekannter Zusammensetzung Aussagen zur Realstruktur zu machen (Kristallitgröße, Textur, Verspannung, ...). Außerdem können Gitterparameter, Atompositionen und Temperaturfaktoren für die Struktur gewonnen werden, wenn Grundzüge der Kristallstruktur bekannt sind. Zusätzlich lassen temperaturabhängige Messungen Aussagen über das Verhalten bei Phasenübergängen zu.

Beispiel

Als Beispiel soll die quantitative Phasenanalyse an einem Stück Damaszener-Stahl gezeigt werden (Referenz: Crystal Research and Technology 40 (2005) 905-916). In Abbildung 2 sind das gemessene und das angepasste Diffraktogramm gezeigt. Für eine optimale Anpassung mussten vier Phasen betrachtet werden: Ferrit (α-Fe), Martensit, Zementit (Fe3C) und Graphit (C). Jeder dieser Probenbestandteile liefert dabei Reflexe an ganz bestimmten Positionen, wie sie in der Grafik durch kleine Striche angezeigt sind. Durch Rietveld-Verfeinerung konnten die relativen Anteile der verschiedenen Phasen so angepasst werden, dass die gezeigte Differenzkurve (rot) möglichst nahe an Null liegt, d. h. Modell und Messung stimmen überein. Die daraus folgende Zusammensetzung der Probe ist in Abbildung 3 gegeben.




Abbildung 2: Gemessenes Diffraktogramm und Rietveld-Verfeinerung.


Abbildung 3: Aus der Anpassung in Abbildung 2 ermittelte Zusammensetzung der Probe (in Masse-Prozent).

Vorhandene Geräte

  • Bruker D8 Advance mit Bragg-Brentano-Geometrie
  • Bruker D8 Advance mit Parallelstrahl-Geometrie
  • Bruker D8 Discover mit hochauflösender Parallelstrahlgeometrie und Temperaturkammer