본문내용
1. X-ray 회절 분석
1.1. 실험 목적 및 이론
1.1.1. X-ray의 정의 및 발생 원리
X-ray는 파장이 10~0.01nm이며, 주파수는 3*1016~3*1019헤르츠를 가지며 에너지는 100eV~200eV를 가지는 전자기파이다. X-ray는 진공관 내의 cathode를 가열시키면, 튀어나온 열전자가 음극, 양극 사이에서 높은 전압으로 인해 가속이 되면서 anode역할을 하는 금속 타겟에 충돌을 하고 이때, 전자의 운동에너지는 x선 및 열에너지로 변환되면서 발생한다. 타겟과 충돌을 하면서 x-ray를 만들어낼 때, 두가지 과정에의해 발생하는데, 연속 x선과, 특성 x선이 있다. 연속 x선은 가속된 전자가 원자핵 근처에서 쿨롱힘에 의해 감속하면서 감속된 양만큼 전자기파를 방출하는 제동복사선이며, 특성 x선은 가속된 하전입자가 궤도전자와 상호작용을 하고 이로인해, 여기(들뜸), 전리를 일으켜 궤도전자의 천이가 생기고, 그 에너지량만큼 전자기파를 방출하는 것이다.
1.1.2. 빛의 간섭과 브래그 법칙
빛의 간섭과 브래그 법칙은 X-선 회절 현상을 이해하는데 매우 중요한 개념이다. 빛의 간섭 현상은 두 개 이상의 파동이 만나면서 보강 간섭과 상쇄 간섭이 발생하는 현상을 말한다. 두 파동의 위상차가 파장의 정수배이면 보강 간섭이 일어나 밝은 부분이 나타나고, 위상차가 파장의 홀수배이면 상쇄 간섭이 일어나 어두운 부분이 나타난다.
브래그 법칙은 결정질 물질에서 X-선의 회절 조건을 나타낸다. X-선이 결정체의 원자면에 입사될 때 원자면에서 반사되는 X-선이 보강 간섭을 일으키기 위해서는 반사되는 X-선의 경로차가 파장의 정수배가 되어야 한다. 이를 수식으로 나타내면 2dsinθ=nλ와 같다. 여기서 d는 결정 격자 면 사이의 간격, θ는 입사각, n은 정수, λ는 X-선의 파장을 의미한다.
따라서 결정체의 격자 면간 거리 d와 X-선의 입사각 θ, 파장 λ의 관계를 통해 결정체의 구조와 성분을 분석할 수 있다. X-선 회절 실험에서는 이 브래그 법칙을 이용하여 미지의 물질에 X-선을 조사하고 회절 패턴을 분석함으로써 그 물질의 구조와 성분을 알아낼 수 있다.
1.1.3. 결정과 결정계의 구조
결정은 내부의 구조를 이루고 있는 원자, 분자 또는 이온 등이 공간 내에서 일정한 주기를 가지고 규칙적으로 배열을 이룰 때 그 배열을 이루는 고체물질을 의미한다. 이때 모든 고체물질이 하나의 결정구조를 이루면 단결정이라 하고, 조그만 크기의 여럿 결정자(crystallite)가 그레인경계(grain boundary)를 만들며 모여있으면 다결정이라고 한다. 또한 어떠한 규칙성없이 배열을 이룬 물질을 비정질(amorphous)이라고 한다.
결정계는 결정을 구성하는 원자, 분자, 이온 등이 배열되는 방식에 따라 총 7개의 결정계로 분류된다. 이는 입방정(cubic), 육방정(hexagonal), 정방정(tetragonal), 삼방정(rhombohedral), 사방정(orthorhombic), 단사정(monoclinic), 삼사정(triclinic)이다. 각각의 결정계는 축 관계와 축간 각도에 따라 구분된다. 입방정의 경우 a=b=c이고 α= β= γ=90°이며, 육방정은 a=b≠c, α= β=90°, γ=120°이다. 정방정은 a=b≠c, α= β= γ=90°이고, 삼방정은 a=b=c, α= β= γ≠90°이다. 사방정은 a≠b≠c, α= β= γ=90°이며, 단사정은 a≠b≠c, α= γ=90°≠ β, 삼사정은 a≠b≠c, α≠ β≠ γ≠90°의 특징을 갖는다.
이와 같이 결정과 결정계의 구조는 물질을 이루는 원자, 분자, 이온 등의 배열 방식에 따라 다양한 형태로 나타나며, 이러한 규칙적인 배열 구조를 파악하는 것이 결정구조 분석의 핵심이다.
1.2. X-ray 회절 실험
1.2.1. Bragg-Brentano X-ray 회절 시험
Bragg-Brentano X-ray 회절 시험은 샘플과 X-ray source, detector 간에 지속적인 각의 변위를 일으키면서 특정한 각과 파장에 대한 결정의 간격을 구할 수 있는 방식이다. 이 시험에서는 X-ray가 결정 격자면에 입사되어 회절되는 현상을 이용한다.
먼저, X-ray 광원에서 발생한 X-ray가 시료에 입사되면 결정 격자면과의 상호작용에 따라 회절이 일어난다. 이때 특정 입사각 θ에서 회절된 X-ray는 검출기에 도달하게 된다. 입사각 θ는 시료 홀더와 X-ray 빔 사이의 각도이며, 검출기는 시료 홀더를 기준으로 2θ의 각도에 위치한다.
따라서 이 방식에서는 입사각 θ와 검출각 2θ를 지속적으로 변화시키면서 X-ray 회절 패턴을 측정하게 된다. 이렇게 얻어진 회절 패턴은 브래그 법칙 2dsinθ = nλ를 이용하여 결정 격자면 간격 d를 분석할 수 있다. 여기서 n은 정수, λ는 X-ray 파장을 나타낸다.
Bragg-Brentano X-ray 회절 시험은 결정 물질의 고유한 회절 패턴을 통해 미지의 물질 성분을 분석할 수 있게 해준다. 이를 통해 결정 구조, 격자 상수, 상 조성 등을 파악할 수 있어 재료 과학, 화학, 지질학 등 다양한 분야에서 활용되고 있다.
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