Phân tích Cấu trúc tinh thể bằng pp nhiễu xạ tia X Phân tích Cấu trúc tinh thể bằng pp nhiễu xạ tia X Nguyễn Xuân Sáng Lý thuyết nhiễu xạ tia X 1 Nhận xét chung Để nghiên cứu cấu trúc của tinh thể ta.
PHÂN TÍCH CẤU TRÚC TINH THỂ BẰNG PP NHIỄU XẠ TIA X Nguyễn Xuân Sáng I Lý thuyết nhiễu xạ tia X 1: Nhận xét chung Để nghiên cứu cấu trúc tinh thể ta phải chiếu vào tinh thể xạ có bước song nhỏ hay khoảng cách nguyên tử tinh thể, tức λ≤A tia X & tia Ᵹ nhưng tia X cho hình ảnh rõ nét độ xác cao Dùng tia X Tia X tạo nhờ ống phát tia X Bước song ngắn mà ống phát liên quan hiệu điện Anot catot ống phát tia X cơng thức: 2: Cơng thức Vulf- Bragg Chiếu • chum tia X song song đơn sắc( có λ xác định) lên tinh thể góc trượt họ mặt mạng Chùm tia X phản xạ mặt thuộc họ góc ta có: Các tia phản xạ từ mặt mạng (tia Ⅰ tia Ⅱ) có hiệu đường =0 Các tia phản xạ mặt mạng pha =AG-FE •• Gọi hiệu đường tia phản xạ từ mặt lân cận ta có : =AB-AC Mà =AB-AC=d(1-cos2)/sin = 2dsin (1) Trong quang học, điều kiện để tia song bước song có cực đại gt là: = (2) Từ (1) & (2) n 2dsin = n : điều kiện nhiễu xạ Vulf-Bragg Nhận xét Thực nghiệm chứng tỏ cơng thức Vulf-Bragg có độ xác cao Mặc dù cơng thức suy từ điểm xuất phát rõ rang không mặt vật lý, phản xạ tia X nững mặt nguyên tử tưởng tượng Chỉ phép đo thật xác phát sai lệch công thức, sai lệch liên quan tới tượng khúc xạ tia X tinh thể Ⅱ Cấu tạo nguyên lý hoạt động ống phát xạ tia X Về nguyên tắc, ống tia X cấu tạo từ cực: cực âm (cathode) dây tóc nung nóng dịng điện để sản sinh electron cực dương nơi để electron đập vào làm phát sinh xạ hãm Ống tia X hút chân không để electron không bị lượng va chạm với phần tử khí từ cathode đến anode Cấu tạo ống phát xạ tia X công suất thấp Ⅱ Cấu tạo nguyên lý hoạt động ống phát xạ tia X Đối với ống phát xạ tia X cơng suất cao cấu tạo gồm phận âm cực (cathode), dương cực (anode) phận phụ: động quay dương cực ( rotor stator), vỏ ống, hộp chứa, dầu tản nhiệt, cổng giao tiếp… Ⅲ CẤU TẠO CƠ BẢN CỦA MÁY ĐO NHIỄU XẠ TIA X • Nguồn phát tia X: với nhiều công suất khác từ 300W 4kW; điện áp từ 30kV đến 80kV; dòng điện từ 10mA đến 80mA phù hợp cho nhiều ứng dụng với nhiều loại mẫu khác • Khe phân kì Soller: Hướng tia X từ nguồn phát đến bề mặt mẫu cần phân tích • Bộ giữ mẫu(sample holder) : giữ mẫu mâm xoay giữ nhiều mẫu; có nhiều loại tuỳ theo hình dạng kích thước mẫu • Giác kế goniometer • Bộ thu tín hiệu(detector) • Bộ máy tính kèm phần mềm để điều khiển, phân tích xử lý liệu nhiễu xạ • Bộ chiller để làm mát tuần hồn Nguồn phát tia X Ⅳ: Giải thích hình thành chấm vòng tròn ảnh nhiễu xạ tia X tinh thể • Như phép tương tự mơ tả nguyên tắc nhiễu xạ, tưởng tượng chiếu tia laser vào tường qua rây mịn Thay quan sát chấm sáng tường, hình ảnh nhiễu xạ quan sát bao gồm đốm sáng xếp đặn, điểm có vị trí cường độ xác định Khoảng cách đốm tỷ lệ nghịch với lỗ bào sàng- sàng mịn đốm xa sàng thơ đốm gần • Các vật thể riêng lẻ gây nhiễu xạ có bước song thích hợp, thường khơng nhìn thấy hình ảnh nhiễu xạ cường độ q yếu Sự khác biệt với sàng bao gồm lưới làm dây cách nhau, lặp lại Tính tuần hồn làm phóng đại đáng kể hiệu ứng nhiễu xạ giao thoa cấu tạo Khi tia sáng kết hợp với biên độ, cường độ ánh sáng nhìn thấy tường lớn nhiều cường độ tỉ lệ với bình phương biên độ ánh sáng • Để áp dụng tương tự cho XRD đơn tinh thể, cần thu nhỏ lại Bây sàng thay tinh thể tia laser(ánh sáng nhìn thấy) thay chum tia X tinh thể rắn khơng có dạng lưới, phân tử nguyên tử chứa bên tinh thể xếp theo chu kì, tạo hiệu ứng phóng đại cường độ tương tự với sàng Vì tia X có bước song thang với khoảng cách nguyên tử nên chúng bị nhiễu xạ tương tác chúng với mạng tinh thể Nguyên tắc hình thành giản đồ nhiễu xạ tia X • Những nguyên tắc quy định định luật Bragg, n số nguyên, λ bước song ánh sáng, d khoảng cách mặt phẳng song song mạng tinh thể, θ góc tới chum tia X mặt phẳng nhiễu xạ Tuy nhiên, phức tạp nảy sinh tinh thể tuần hồn theo chiều, sàng lặp lại theo chiều Kết tinh thể có nhiều mặt phẳng nhiễu xạ khác mở rộng theo định hướng định dựa nhóm đối xứng tinh thể Vì vật cần phải quan sát dạng nhiễu xạ từ nhiều góc độ hướng khác tinh thể để có tranh đầy đủ mạng tinh thể tương hỗ Ⅴ Phương pháp nhiễu xạ bột (giản đồ nhiễu xạ tia X) Sử dụng với mẫu đa tinh thể Sử dụng chùm tia X song song hẹp, đơn sắc, chiếu vào mẫu Quay mẫu quay đầu thu chùm nhiễu xạ đường tròn đồng tâm Phổ nhiễu xạ phụ thuộc cường độ nhiễu xạ vào lần góc nhiễu xạ Đối với mẫu màng mỏng, cách thức thực (2) có chút khác, người ta chiếu tia X tới góc hẹp (để tăng chiều dài tia X tương tác với màng mỏng), giữ cố định mẫu quay đầu thu Phương pháp nhiễu xạ bột cho phép xác định thành phần pha, tỷ phần pha, cấu trúc tinh thể (các tham số mạng tinh thể) dễ thực ... nhiễu xạ tia X 1: Nhận xét chung Để nghiên cứu cấu trúc tinh thể ta phải chiếu vào tinh thể xạ có bước song nhỏ hay khoảng cách nguyên tử tinh thể, tức λ≤A tia X & tia Ᵹ nhưng tia X cho hình... thể, cần thu nhỏ lại Bây sàng thay tinh thể tia laser(ánh sáng nhìn thấy) thay chum tia X tinh thể rắn khơng có dạng lưới, phân tử nguyên tử chứa bên tinh thể xếp theo chu kì, tạo hiệu ứng phóng... nhiên, phức tạp nảy sinh tinh thể tuần hoàn theo chiều, sàng lặp lại theo chiều Kết tinh thể có nhiều mặt phẳng nhiễu xạ khác mở rộng theo định hướng định dựa nhóm đối xứng tinh thể Vì vật cần phải