Определение фазового состава.

Определение фазового состава наноматериалов возможно методами рентгеновской и нейтронной дифракции.

Рентгенодифракционный анализ является самым распространенным и доступным методом. Идентификация фаз проводится путем сопоставления табличных данных и экспериментального спектра образца, причем критерием присутствия фазы в исследуемом материале является совпадение линий эталона и образца (с учетом их интенсивностей). Минимальное содержание фазы в исследуемом образце, определяемое этим методом, составляет от нескольких десятых до нескольких процентов.

В свою очередь, дифракция нейтронов позволяет успешно изучать материалы, состоящие из элементов с соседними номерами в таблице Д.И. Менделеева. Например, Co-ГЦК и Ni практически не различимы методом рентгеновской дифракции, а нейтронный анализ позволяет определять фазы этих металлов в одном образце. Кроме того, нейтроны имеют различные значения амплитуды когерентного рассеяния у различных изотопов одного и того же элемента.

Дифракционные методы, кроме определения фазового состава кристаллических материалов, позволяют установить аморфное состояние вещества. В частности, существует определение, что материал является аморфным, если его кристаллическое строение не удается установить дифракционными методами. Аморфную фазу легко идентифицировать на любых дифрактограммах. Например, на рентгенограммах аморфная фаза дает отражение в виде диффузного гало (рис. 23.), на рис. 24 представлены нейтронограммы от кристаллического (а) и аморфного (б) веществ.

Мёссбауэровская спектрометрия (g-резонансная спектрометрия) является очень чувствительным методом определения фазового состава материалов. Данный анализ предназначен для исследования физических и химических свойств конденсированных сред (главным образом твердых тел), а также микроскопических объектов.

Эффект Мёссбауэра (ядерный g-резонанс) – испускание или поглощение g-квантов атомными ядрами в твердом теле, не сопровождающееся изменением колебательной энергии тела. Использование данного ядерного эффекта для исследования материалов обусловлено его сильной зависимостью от взаимодействия между ядром и электронами на атомных орбиталях.

Спектрометр Мёссбауэра состоит из следующих основных частей: источника мягкого (с энергией до 155 кэВ) g-излучения; поглотителя (или отражателя), содержащего исследуемое вещество, и детектора для регистрации мягкого g-излучения. Чаще всего источником излучения для получения эффекта Мёссбауэра служит радиоактивный изотоп с удобным для работы периодом полупревращения. Например, одним из самых распространенных источников является изотоп ⁵⁷Co. В результате радиоактивного распада образуется изотоп ⁵⁷Fe в возбужденном состоянии, переход которого в основное состояние сопровождается излучением g-квантов с энергией 14,4 кэВ. Поглотителем этого излучения могут быть только ядра ⁵⁷Fe. Естественное содержание данного изотопа в железе составляет 2,17%.

Использование эффекта Мёссбауэра для определения фазового состава основано на следующих физических явлениях. В различных фазах атомы одного и того же элемента находятся в химически не тождественном состоянии. При этом перераспределяется электронная плотность и электрический заряд в ядре, что приводит к изменению величины кулоновского взаимодействия ядра с электронной оболочкой. Все эти процессы находят свое отражение в мёссбауэровском спектре.

Данный анализ обладает высокой чувствительностью: можно определить несколько десятых долей процента данной фазы в образце, причем ее дисперсность и положение в материале не имеют значения. Например, в нанопорошке железа установлено присутствие оксидной фазы на поверхности вещества толщиной в 1 нм.

Ряд принципиальных ограничений препятствует широкому использованию мёссбауэровской спектроскопии. Прежде всего, эффект Мёссбауэра наблюдается только для 41 элемента Периодической таблицы. При этом в каждом эксперименте могут быть обнаружены лишь атомы одного сорта в зависимости от природы источника.