Дифракционные методы анализа основаны на явлении дифракции волн на периодических структурах вещества. В химии поверхности это преимущественно рентгеновские, нейтронные и электронные волны, взаимодействующие с атомными решётками, адсорбированными слоями и тонкими плёнками. Интенсивность и угол рассеяния волн зависят от пространственного расположения атомов, что позволяет реконструировать кристаллографическую структуру, определить межатомные расстояния, ориентацию молекул и распределение адсорбированных частиц.
Ключевой характеристикой является дифракционная решётка, которая может быть как естественной (кристаллическая решётка материала), так и искусственной (поверхностная структура адсорбата или наноматериала). Взаимодействие волны с решёткой описывается законом Брэгга:
[ n= 2d]
где (n) — порядок отражения, () — длина волны, (d) — межплоскостное расстояние, () — угол падения. Закон Брэгга лежит в основе большинства дифракционных экспериментов, позволяя измерять параметры кристаллической решётки с высокой точностью.
Рентгеновская дифракция используется для изучения структуры поверхности и тонких плёнок. Рентгеновские лучи взаимодействуют с электронной оболочкой атомов, создавая дифракционную картину. Основные применения включают:
Важным аспектом является использование монохроматизированного рентгеновского излучения и высокочувствительных детекторов для получения точных интенсивностей дифракционных максимумов. Для поверхностных исследований применяются методы глиняного угла падения (Grazing Incidence X-ray Diffraction, GIXRD), позволяющие минимизировать вклад подложки и усиливать сигнал от тонких слоёв.
Нейтронная дифракция основана на рассеянии нейтронов на ядрах атомов. Она обладает высокой чувствительностью к легким элементам (водород, литий), что делает её незаменимой для изучения гидратированных поверхностей и адсорбции молекул. Особенности нейтронной дифракции:
Использование поляризованных и энергоподобранных пучков нейтронов позволяет получать пространственно разрешённые данные о поверхностных и межфазных структурах.
Электронная дифракция характеризуется высокой чувствительностью к поверхностным атомам благодаря малой глубине проникновения электронов. Применяется в:
Методика предполагает работу в условиях высокого вакуума и использование сканирующих электронных микроскопов с дифракционной насадкой (SAED) для комбинированного визуального и структурного анализа.
Анализ дифракционных данных позволяет не только определить кристаллографическую структуру, но и количественно оценить:
[ D = ]
где (D) — размер кристаллита, (K) — коэффициент формы, () — ширина пика при половине максимума интенсивности, () — угол дифракции.
Дифференцированный анализ пиков позволяет выделять компоненты смеси, идентифицировать фазовые переходы и строить карту распределения адсорбированных молекул.
Дифракционные методы позволяют получать количественно достоверную информацию о структурных особенностях поверхностей, что делает их фундаментальным инструментом химии поверхности и наноструктурных исследований.