Wie kann Röntgenbeugung für eine zuverlässige Untersuchung von nanostrukturierten Materialien genutzt werden?

Aufgrund ihrer einzigartigen physikalischen Eigenschaften stehen nanostrukturierte Materialien heute an der Spitze der Materialwissenschaften. Mehrere verschiedene Techniken können verwendet werden, um ihre mikroskopischen Merkmale zu charakterisieren, aber jede davon hat ihre Vor- und Nachteile. In neuen Forschungsergebnissen, veröffentlicht in Sonderthemen des European Physical JournalJenő Gubicza von der ELTE Eötvös Loránd Universität, Budapest, zeigt, dass eine indirekte Methode namens X-ray diffraction line profile analysis (XLPA) für die Analyse von nanostrukturierten Materialien geeignet ist, aber ihre Anwendung und Interpretation besondere Sorgfalt erfordern, um zuverlässige Schlussfolgerungen zu erhalten.

Nanostrukturierte Materialien bestehen aus nanoskaligen Körnern, die jeweils aus einem geordneten Atomgitter bestehen. Nützliche Eigenschaften ergeben sich aus abrupten Änderungen der Atomanordnungen in diesen Gittern, die als „Defekte“ bezeichnet werden. Zur Feinabstimmung der Materialeigenschaften einer Nanostruktur können Forscher die Dichte dieser Defekte durch eine geeignete Auswahl der Verarbeitungsbedingungen von Nanomaterialien steuern.

Um die durch diese beiden Ansätze eingeführten Defektdichten zu vergleichen, misst XLPA, wie Röntgenstrahlen beim Durchgang durch die in den Materialien enthaltenen Mikrostrukturen gebeugt werden. Die Frage ist hier, ob die durch XLPA erhaltenen Informationen über die Defektstruktur zuverlässig sind, da diese Methode das Material nur indirekt durch die Streuung von Röntgenstrahlen untersucht. Alternativ kann die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) sehr detaillierte Bilder dieser Mikrostrukturen liefern, kann jedoch nur zur Untersuchung winziger Volumina verwendet werden.

In seiner Analyse vergleicht Gubicza die indirekt durch XLPA bestimmten Mikrostrukturen mit den direkt durch TEM gewonnenen. Einerseits fand er heraus, dass die mit beiden Methoden ermittelten Defektdichten gut übereinstimmen. Andererseits stimmen die mit beiden Techniken gemessenen Korngrößen bei Materialien mit größeren Korngrößen zwar tendenziell auseinander, bei Korngrößen kleiner als 20 Nanometer stimmten sie jedoch weitgehend überein. In diesen Fällen hat XLPA korrekt gezeigt, dass sowohl Top-Down- als auch Bottom-Up-Verarbeitungsmethoden von Nanomaterialien ähnlich hohe Defektdichten erzeugen können. Insgesamt bietet Gubiczas Übersicht den Forschern eine nützliche Anleitung, wie und wann XLPA angewendet werden sollte.