MĚŘENÍ NA ČTYŘKRUHOVÉM DIFRAKTOMETRU
M. Dušek

Fyzikální ústav AVČR, Na Slovance 2, 180 40 Praha 8, Česká Republika

Čtyřkruhový difraktometr je jeden z nejpoužívanějších přístrojů pro měření struktur monokrystalů. Goniometrická hlavička nesoucí krystal je umístěna na kruhu φ, který umožňuje rotaci kolem osy hlavičky. Kruh φ je připevněn ke kruhu κ nabo χ (podle typu difraktometru) a ten je zase připevněn na kruhu ω. Pohybem těchto tří kruhů lze nastavit krystal do prakticky libovolné orientace, například tak, aby difraktovaný paprsek zvolené reflexe ležel v rovníku difraktometru. Zde se pohybuje čtvrtý kruh, který je nezávislý a nese detektor záření.

κ

φ

ω

θ

CCD difraktometr Xcalibur s Kappa geometrií. 1 rentgenová lampa, 2 goniomer, 3 uzávěrka,

4 monochromátor, 5 kolimátor, 6 lapač primárního paprsku, 7 beryliové okénko CCD detektoru.

Podle geometrického uspořádání rozlišujeme difraktometry s geometrií Eulerovou a Kappa. První typ je tradiční, s jednodušší a lépe představitelnou geometrií. Kruh φ může být po vnitřní straně kruhu χ přemístěn téměř o 360º, což umožňuje měřit reflexe v osmi různých polohách. Tím je usnadněna kalibraci přístroje a zvyšuje se přesnost určení mřížkových parametrů. U druhého uspořádání je kruh φ nesen kruhem κ, který je vychýlen do strany. Měření v osmi polohách je tím znemožněno a nastavení reflexe i kalibrace přístroje jsou složitější, nad krystalem se však otevírá prostor pro instalaci nízkoteplotního zařízení.

Krystal nastavený do třech různých poloh (a), (b) (c) na difraktometru s Eulerovou geometrií (levé obrázky) a kappa geometrií (pravé obrázky).

Podle použitého detektoru rozlišujeme difraktometry s bodovým detektorem, který proměřuje reflexe jednu po druhé, a difraktometry s plošným detekrorem, který při jednom nastavení měří současně více reflexí.

Klasické difraktometry byly vybaveny bodovým scintilačním detektorem a používaly se zpravidla v kombinaci s filmovými metodami, které poskytly základní informace o kvalitě krystalu, přítomnosti dvojčatění, difuzních stop, satelitních reflexí atd. Krystal byl po tomto předběžném časově náročném měření přenesen na difraktometr a pomocí procedury pro náhodné hledání reflexí bylo nalezeno a proměřeno několik reflexí, z kterých byl zhruba nalezen vztah mezi osami elementární buňky a souřadným systémem difraktometru (tzv. orientační matice). V dalším kroku byly zjištěny přesné polohy několika desítek vybraných reflexí pomocí centrační procedury a z nich byla vypočtena přesná orientační matice. Teprve pak následovalo systematické měření všech reflexí teoreticky možných do určitého úhlu θ. Pomocí vhodně zvoleného skanu se pro každou reflexi změřil difrakční profil, jehož integrací byla získána integrální intenzita.

Měření bodovým detektorem má dvě základní nevýhody: je časově náročné a vyžaduje předběžné informace o krystalu. V současnosti se většina krystalových struktur měří pomocí plošných detektorů, zpravidla CCD, které umožňují využít pro měření zcela jinou strategii. Reciproký prostor je totiž proměřen (do určitého zvoleného úhlu θ) celý a měření tak zachycuje veškeré přítomné difrakční stopy. Elementární buňka, přítomnost satelitních reflexí a kvalita krystalu se zjišťují až z kompletních naměřených dat. Další výhodou plošného detektoru je rychlost měření, protože může měřit mnoho reflexí současně. Důkladné měření jedné struktury trvá s využitím CCD detektoru jeden až 5 dní (v závislosti na vzdálenosti detktoru od vzorku), zatímco odpovídající měření s bodovým detektorem vyžaduje několikanásobně delší dobu (týdny až měsíce podle velikosti elementární buňky).

Z uvedených charakteristik by vyplývalo, že použití bodového detektoru již nemá v současnosti žádný význam. V přednášce bude dokumentováno na příkladech, které přesahují rámec tohoto abstraktu, že u komplikovaných struktur tomu tak není, zejména v případech, kdy difrakční stopy leží velmi blízko sebe anebo když potřebujeme velmi přesně zjistit jejich polohy.