Глава 3. Качественный фазовый анализ

Фаза. Фазовый анализ

Термин «фаза» является одним из ключевых в физике. Интересующее нас понятие впервые было введено в практику в прошлом столетии американским физиком-теоретиком Уиллардом Гиббсом. Известно, что при 0°С однородная система – вода – распадается на две части. Эти части представляют собой две различные фазы химического соединения H₂O. При нагревании воды до 100°С то же самое соединение предстанет в виде третьей фазы – водяного пара. Жидкость, кристалл и пар – самые привычные примеры фаз одного и того же вещества. Однако фазы не обязательно должны отличаться агрегатным состоянием. Так, хорошо известный всем углерод в твердом состоянииможет находиться в различных полиморфных модификациях, отличающихся кристаллическими решетками: алмаз и графит, кроме того, в последнее время установлена еще одна модификация, получившая название – фуллерен. Фазы могут отличаться друг от друга магнитными свойствами – магнитная и немагнитная фазы, например, железо при температуре ниже 768°С ферромагнитно, а при более высокой температуре переходит в парамагнитное состояние, по электрической проводимости – нормальная и сверхпроводящая, например, ртуть при температуре 4.2 К переходит в сверхпроводящее состояние.

Теперь дадим строгое определение фазы. Фазой называют часть или совокупность гомогенных частей системы, отделенных от других частей системы поверхностью раздела и характеризующихся в отсутствие внешних воздействий одинаковыми свойствами и составом во всех своих точках.

При изменении внешних условий (температуры, давления, напряженности электрического или магнитного полей) фазы могут превращаться друг в друга. Такой процесс получил название фазового перехода или фазового превращения. При фазовых превращениях свойства вещества могут резко меняться. Знание закономерностей возникновения и развития фазовых превращений открывает путь к управлению свойствами материалов.

Фазовым анализом называется установление числа фаз в исследуемом образце, их идентификация (качественный анализ) и определение количественного содержания фаз (количественный анализ).

Рентгенографический анализ поликристаллов является одним из основных методов исследования состава и структуры твердотельных соединений. В ряде случаев он дает уникальную информацию о фазовом составе и строении веществ, которая не может быть получена с помощью других аналитических методов.

Каковы достоинства рентгенографического метода фазового анализа? В отличие от рентгеноспектрального анализа, ИК–спектроскопии, Оже–спектроскопии и т.п., которые позволяют установить лишь элементный состав исследуемых веществ, рентгеноструктурный анализ дает возможность определить, из каких фаз состоит образец. Более того, одно и то же вещество может находиться в различных кристаллических модификациях, что также устанавливается по рентгенограмме.

Качественный фазовый анализ базируется на точном определении положения и интенсивности линий дифракционных спектров.

Различные фазы в кристаллах обладают не только разными свойствами, но и разной кристаллической структурой. От каждой фазы на рентгенограмме возникает свой набор дифракционных линий. Относительные интенсивности и определенные по рентгенограмме межплоскостные расстояния (d) называют рентгеновской характеристикой вещества. Самые сильные линии данного вещества называют реперными. По таким линиям обычно и выявляют фазы.

Рентгенограммы многофазной системы представляют собой результат наложения рентгенограмм отдельных фаз, интенсивности которых пропорциональны количеству фазы в системе. Минимальное количество вещества, при котором еще заметны реперные линии, определяет чувствительность фазового анализа.

Чувствительность метода зависит от интенсивности интерференционных линий, которые дает на рентгенограмме исследуемое вещество. Интенсивность линий для порошкового образца определяется произведением ряда факторов, на некоторые в данном пособии обратим особое внимание.

При сравнении чувствительности метода для двух фаз с одинаковой решеткой, например, кубической, следует учитывать значение структурного фактора, который определяется симметрией кристалла, особенностями расположения атомов в кристаллической решетке. Так, для ОЦК кристалла он равен 4f², а для ГЦК кристалла 16f², где f² – атомный множитель. Следовательно, одно и то же вещество, имеющее ОЦК и ГЦК модификации (например, a-Fe и β-Fe), выявляется в случае ГЦК структуры при содержании в 4 раза меньшем, чем при наличии ОЦК решетки.

Число плоскостей решетки, эквивалентных по симметрии, называется фактором повторяемости p. Для кристаллов, в которых семейства плоскостей с различными, но одинаковыми с точки зрения симметрии кристаллографическими индексами, будут иметь одинаковые межплоскостные расстояния, и отраженные ими лучи дадут вклад в одно и то же дебаевское кольцо. Чем ниже симметрия кристаллической решетки исследуемого вещества, тем больше требуется его для обнаружения. Последнее связано с тем, что понижение симметрии приводит к увеличению количества линий на рентгенограмме. При этом интегральная энергия излучения распределяется на большее число линий, и интенсивность каждой из них понижается. Для кристаллов кубической сингонии значения p принимают максимальные значения, поэтому фазы с кубической решеткой дают интенсивные рефлексы.

К достоинствам рентгеновского фазового анализа должны быть отнесены также высокая чувствительность и экспрессность метода. Метод не требует большого количества анализируемого вещества; фазовый анализ можно проводить без разрушения образца. Кроме того, метод позволяет оценить количество фаз в смеси.

Чувствительность метода зависит от наличия структурных искажений и дефектов в кристалле и от размера кристаллитов. Эти факторы могут приводить к уширению интерференционных максимумов и, следовательно, к снижению чувствительности метода, поскольку размытые линии выявлять труднее, чем резкие. Чувствительность рентгеновского метода может быть повышена улучшением техники рентгеновской съемки и соответствующей подготовкой исследуемых образцов. Применение монохроматоров уменьшает общий фон рентгенограммы, благодаря чему выявляются слабые линии.

Из-за наличия на рентгенограммах большого числа интерференционных максимумов и возможности наложения максимумов разных фаз рентгенограмму многофазных систем необходимо рентгенографировать в длинноволновом излучении.

При рентгенографировании объектов с размером кристалликов более 10^-4 – 10^{-3 см образец необходимо вращать. При этом увеличивается количество зерен вещества, участвующих в отражении, и интенсивность линий возрастает. Однако при анализе двух- и многофазных систем целесообразно получить рентгенограмму без вращения. В этом случае при разном размере частиц фаз, входящих в смесь, характер линий на рентгенограмме от каждой фазы различен. Этот факт может облегчить разделение рефлексов, принадлежащих каждой фазе.}

При съемке крупнокристаллических образцов чувствительность метода снижается из-за поглощения. В отдельных случаях можно рекомендовать измельчение исследуемых порошков, а если объект рентгенографирования – монолитный образец, то деформацию поверхностного слоя следует удалить электрополировкой с последующим отжигом. Однако к механической обработке изучаемых объектов следует подходить очень осторожно, так как при этом можно существенно изменить состояние образца и даже фазового состава смеси.

Применение дифрактометров со сцинтилляционной регистрацией интерференционных максимумов (установки ДРОН-2.0, ДРОН-3.0, ДРОН-4.0) и фокусировкой по Брэггу – Брентано (рис. 11) приводит к повышению чувствительности фазового анализа. При такой фокусировке диффузно рассеянные лучи не фокусируются, и поэтому уровень фона значительно ниже по сравнению с фотографическим методом регистрации.

Рис. 11. Схема фокусировки по Брэггу – Брентано для исследования поликристаллических образцов; F – фокус рентгеновской трубки; O – плоский образец; D – щель счетчика; C – счетчик; 2θ – угол отражения.

Уровень фона на дифрактограмме или рентгенограмме можно уменьшить оптимальным подбором напряжения на рентгеновской трубке. Его значение должно быть больше в 3 – 4 раза потенциала ионизации. Например, для трубок с Си анодом оптимальное напряжение составляет 25 – 30 кВ.

Требование обеспечения высокой точности определения интенсивности и низкого порога обнаружения линий, с одной стороны, и прецизионности и экспрессности определения межплоскостных расстояний с другой, приводят к необходимости нахождения компромиссных решений.

Чтобы уменьшить статистические флуктуации счета при регистрации интенсивности дифракционных рефлексов, необходимо пользоваться широкими пучками.