Na pesquisa de materiais, o cientista tem várias questões analíticas relacionadas à composição química e à constituição cristalina dos materiais. Difração de raios X (XRD) é a única técnica laboratorial que obtém informações, como composição química, estrutura do cristal, tamanho do cristalito, deformação reticular, orientação preferencial e espessura da camada, de maneira precisa e não destrutiva. Por esse motivo, os pesquisadores de materiais usam a XRD para analisar uma ampla gama de materiais, desde pós e sólidos a filmes finos e nanomateriais.
O que é difração de raios X?
Difração de raios X (XRD) é uma técnica analítica versátil e não destrutiva usada para analisar propriedades físicas, como composição de fase, estrutura do cristal e orientação das amostras de pó, sólidos e líquidos.
Muitos materiais são formados por pequenos cristalitos. A composição química e o tipo estrutural desses cristais são chamados de "fase". Os materiais podem ser misturas monofásicas ou multifásicas e conter componentes cristalinos e não cristalinos. Em um difratômetro de raios X, diferentes fases cristalinas fornecem diferentes padrões de difração. A identificação de fase pode ser realizada por meio da comparação dos padrões de difração de raios X obtidos de amostras desconhecidas com os padrões nos bancos de dados de referência. Esse processo é semelhante a combinar impressões digitais em uma investigação de cena de crime. O ICDD (Centro Internacional de Dados de Difração) mantém a mais completa base de dados de compostos existente. Você também pode criar um banco de dados de referência a partir de padrões de difração de fase pura medidos, ou de padrões publicados na literatura científica, ou de suas próprias medições. As forças relativas dos padrões de diferentes fases em uma mistura multifásica são usadas para determinar a composição total de uma amostra.
Como funciona a instrumentação de XRD?
Um instrumento de raios X contém três itens principais: uma fonte de raios X, um suporte de amostra e um detector XRD.
Os raios X produzidos pela fonte iluminam a amostra. A amostra é difratada pela fase de amostra e entra no detector. A medição da intensidade e o registro dos dados de difração são executados com a movimentação do tubo ou da amostra e do detector para alterar o ângulo de difração (2θ, o ângulo entre os feixes incidentes e difratados). Dependendo da geometria do difratômetro e do tipo da amostra, o ângulo entre o feixe incidente e a amostra pode ser fixo ou variável e normalmente emparelhado com o ângulo do feixe difratado.
Aplicações de XRD
Muitos pesquisadores, em laboratórios industriais e também científicos, contam com a difração de raios X (XRD) como ferramenta para desenvolver novos materiais ou para aumentar a eficiência de produção. As inovações na difração de raios X seguem de perto a pesquisa sobre novos materiais, como tecnologias de semicondutores ou investigações farmacêuticas. A pesquisa industrial é direcionada para a velocidade e a eficiência cada vez maiores dos processos de produção. A análise de difração de raios X totalmente automatizada nos locais de produção de materiais de mineração e de construção resulta em soluções mais econômicas para controle de produção.
Os principais usos da difração de raios X são:
Análise de fase qualitativa e quantitativa das substâncias e misturas puras. O método mais comum para a análise de fase é frequentemente chamado de "difração de pó de raios X" (XRPD).
- Análise de mudanças de fase sob outras condições especiais, como temperatura, umidade e pressão aplicada (estudos não ambientais).
- Análise de propriedades físicas, como tamanho do cristalito (diâmetro), orientação do cristal e tensão residual, coletivamente chamados de "microestrutura" dos materiais policristalinos.
- Muitas dessas técnicas também podem ser aplicadas em materiais contendo camadas policristalinas, como revestimentos e filmes finos, com o uso de um método chamado XRD de incidência rasante (GIXRD). Estudos sobre pequenas áreas em materiais policristalinos empregam um método chamado microdifração.
Outras técnicas de difração de raios X para materiais que não são policristalinos (por exemplo, lâminas semicondutoras de cristal único ou camadas epitaxiais) incluem análise de alta resolução de camadas heteroepitaxiais (HR-XRD) cuja análise emprega a Lei de Bragg e a teoria da difração dinâmica.
Dispersão de raios X
Outros métodos que estudam os componentes não cristalinos de um material com o uso de vários métodos de dispersão de raios X incluem dispersão de raios X em pequeno ângulo com incidência rasante (GISAXS), dispersão de raios X em pequeno ângulo (SAXS), dispersão total (também chamada de análise de função de distribuição de pares (PDF)) e reflectometria de raios X (XRR). Cada método tem seu próprio algoritmo para análise de dados com base na teoria de dispersão fundamental.
Software de análise
Depois de medido, o padrão de dispersão ou difração de raios X. deve ser analisado. A análise da difração de raios X e dos dados de dispersão de raios X pode ser extremamente complexa. A fim de facilitar a análise para o usuário, existem vários pacotes de software XRD compatíveis com todos os diferentes tipos de medição.
Vantagens da XRD
A XRD é bastante rápida (geralmente menos de 20 minutos) e, na maioria das vezes, representa a técnica mais precisa e confiável de identificação inequívoca de materiais desconhecidos. A preparação da amostra é mínima e explica por que essa técnica é tão popular e adequada ao uso em aplicações de processos industriais e em pesquisa de materiais. Com o software analítico correto, a análise de dados pode ser bastante simples e, nos processos industriais, até mesmo automatizada, de modo que, em aplicações de CQ, não é necessário que o operador seja um especialista em XRD.
