Röntgen-Pulverdiffraktion
Die Röntgen-Diffraktion ist eine Standardmethode zur Bestimmung der Anordnung von Atomen in Kristallen sowie ihrer Abstände. Die eingestrahlte Strahlung wird je nach Atomanordnung in verschiedene Richtungen gebeugt. Grundlage dafür ist, dass perfekte Kristalle durch eine Vielzahl exakter Kopien einer sogenannten „Elementarzelle“ gebildet werden. Die Kenntnis der Atompositionen in dieser Elementarzelle gehört zu den wichtigsten Informationen, um die Eigenschaften fester Stoffe zu verstehen.Während das Ziel der Strukturbestimmung gemeinhin die Ermittlung von Form und Größe der Elementarzelle sowie der einzelnen Atompositionen ist, können darüber hinaus Abweichungen von der perfekten Anordnung mit Beugungsmethoden nachgewiesen werden.
Im Unterschied zur Einkristalldiffraktion liefert die Pulverdiffraktion stets einen Mittelwert über alle Beugungsreflexe der statistisch orientierten Körner einer Probe. Änderungen der Kristallstruktur aufgrund äußerer Beanspruchungen, wie Temperatur, Druck, etc. lassen sich durch Untersuchung ausgewählter Beugungsreflexe verfolgen.
So sind strukturelle Phasenumwandlungen einer Substanz häufig mit veränderter Gitterstruktur verbunden. So ist z.B. Quarz nur bei Temperaturen, die niedriger als 573°C sind, piezoelektrisch. Man kann mit der Röntgendiffraktion auch den zeitlichen Ablauf einer strukturellen Umwandlung verfolgen, wenn diese durch eine äußere Störung induziert wird.
Ein anderes Beispiel ist das Verfolgen einer Entmischungs-reaktion von Feststoff-Mischungen wie z.B. eine Ag0.7Cu0.3Br-Mischung. Sie ist bei 400°C homogen; durch Abschrecken auf 100°C entmischt sich die homogene Phase in 2 verschiedene Phasen unterschiedlicher Gitterstruktur. In der Abbildung sind viele Pulverdiffraktogramme als Funktion der Zeit aufgenommen worden und in einem Contourplot dargestellt. Aus dem zeitlichen Verlauf der Intensität nach Beginn der Abschreckphase kann man Aussagen über die Entmischungsmechanismen gewinnen.
Als Röntgendiffraktometer steht unserer Arbeitsgruppe ein Pulverdiffraktometer Debyeflex 3003 (Firma Seiffert – heute General Electric) mit einer Molybdän- und einer Kupferröhre zur Verfügung. Die Probenkammer bildet ein Hochtemperaturofen HDK2 (Firma Bühler); in diesem können Temperaturen bis zu 1600°C erzeugt werden. Als Detektoren stehen sowohl ein Standardgasdetektor wie auch ein ortsempfindlicher Detektor PSD50 (Firma M. Braun) zur Verfügung. Mit einer speziellen Verarbeitungselektronik lassen sich die nachgewiesenen Röntgenquanten als Funktion der Zeit registrieren und bei periodischen Vorgängen über mehrere Zyklen aufsummieren (-> Stroboskopie), so dass man Untersuchungen zeitabhängiger Prozesse durchführen kann.
