什麼是消光規則

因原子的配置,特定指數的繞射互相抵消而消失的規則。BCC只有 h + k + l 為偶數,FCC只有 h、k、l 奇偶一致的面才會繞射。

日文名稱: 消滅則

「消光規則」出現在1領域的2道練習題中(材料分析(SEM、TEM、XRD、XPS)等)。

這個名詞所屬的領域: 材料分析(SEM、TEM、XRD、XPS)

結構因子與消光的機制

單位晶胞中各原子散射的X光,帶著依位置而定的相位差互相疊加。其總和就是結構因子 F(hkl) = Σ fⱼ exp{2πi(hxⱼ + kyⱼ + lzⱼ)},繞射強度與 |F|² 成正比。BCC由原點與體心(1/2, 1/2, 1/2)的2個原子得到 F = f{1 + (−1)^(h+k+l)},h + k + l 為奇數時為0。FCC由4個原子得到,h、k、l 奇偶一致時 F = 4f,混雜時為0。即使滿足布拉格條件,強度也因單位晶胞內的互相抵消而變為0,這就是消光規則。

由繞射峰的排列判別晶格

在立方晶中 sin²θ 與 h² + k² + l² 成正比,因此可由繞射峰 sin²θ 的比得知晶格的類型。簡單立方依1、2、3、4、5、6、8…排列,缺少7;BCC為2、4、6、8、10…等間隔(比為1:2:3:4…);FCC為3、4、8、11、12…,成為2條一組的排列。在鑽石結構的矽中,除了FCC的條件之外,h + k + l = 4n + 2 的面也會消失,因此不出現(200),而依(111)、(220)、(311)、(400)的順序排列。

原子種類不同時不會完全消失

消光規則的前提,是在互相抵消的位置上有相同的原子。像CsCl型的NiAl這樣,體心與頂點為不同原子時,BCC中會消失的(100)等,會以與散射因子之差成正比的弱峰(超晶格繞射)出現。Cu₃Au的有序化也一樣,超晶格繞射的強度可作為有序度的標準。在NaCl型中,h、k、l 全為奇數之面的強度由2種離子散射因子的差決定,像KCl這樣 K⁺ 與 Cl⁻ 電子數相等時,(111)幾乎消失,看起來像簡單立方。

也可能出現禁制繞射

在實際量測中,有時會看到應該消失的繞射(禁制繞射)。在單晶中,一度繞射的X光再被另一組晶面繞射的多重繞射,可能在矽的(200)這類禁制位置出現尖銳的峰。已知矽的(222)由於共價鍵電子的分布不是球對稱,會極微弱地出現。此外,在具有螺旋軸或滑移面的晶體中,也有只讓特定指數列消失的消光規則,用於決定空間群。重要的是不要只憑峰的有無判斷,也要確認量測條件。

練習消光規則的題目

在FCC結構金屬的粉末XRD中,出現在最低角度側的繞射峰指數為下列何者?

  1. A(100)
  2. B(110)
  3. C(111)
查看答案與解析

正確答案:C. (111)

在FCC中,只有h、k、l全為偶數或全為奇數時才出現繞射,偶數與奇數混雜時,單位晶胞內4個原子的散射互相抵消而強度為0(消光規則)。因此繞射峰依(111)、(200)、(220)、(311)…的順序出現,h² + k² + l² 最小的(111)晶面間距最大,位於最低角度側。(100)與(110)都是偶數與奇數混雜,因此在FCC中不出現。BCC只出現 h + k + l 為偶數的面,所以第一個峰為(110),可由繞射峰的排列區分FCC與BCC。

以Cu Kα射線(波長0.15406 nm)進行銅(FCC)的粉末XRD時,最低角度側的峰出現在 2θ = 43.30°。銅的晶格常數最接近下列何者?

  1. A約0.209 nm
  2. B約0.295 nm
  3. C約0.362 nm
查看答案與解析

正確答案:C. 約0.362 nm

θ = 21.65°,sinθ ≈ 0.3689,由布拉格定律得 d = λ/(2 sinθ) ≈ 0.2088 nm。FCC最低角度側的峰為(111),因此 a = d × √(1² + 1² + 1²) = 0.2088 × √3 ≈ 0.362 nm,與銅的晶格常數(約0.3615 nm)一致。約0.209 nm 是晶面間距d本身,沒有換算成晶格常數。約0.295 nm 是把第一個峰視為(110)而乘以 √2 的值,是套用BCC消光規則的錯誤。正確地進行繞射峰的指標化,是決定晶格常數的前提。

常見問題

HCP的消光規則是什麼?

在HCP中,l 為奇數且 h + 2k 為3的倍數的面會消失。例如(0001)不出現,來自底面的繞射以(0002)觀測到。

依消光規則消失的面是不存在的嗎?

面本身是存在的,但來自單位晶胞中原子的散射互相抵消,因此強度為0。例如BCC(100)面的反射,與位於其中間之體心原子面的反射相位相反而消失。

電子繞射也能使用消光規則嗎?

可以。消失的條件同樣由結構因子決定。不過電子的散射很強,容易因多重散射而出現禁制繞射,因此標定指數時需要注意。

解析中的「消光規則」

出現「消光規則」的題目(2題)

  1. 在FCC結構金屬的粉末XRD中,出現在最低角度側的繞射峰指數為下列何者?
  2. 以Cu Kα射線(波長0.15406 nm)進行銅(FCC)的粉末XRD時,最低角度側的峰出現在 2θ = 43.30°。銅的晶格常數最接近下列何者?

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相關名詞

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