giáo trình kỹ thuật phân tích vật lý

TRƯờNG ĐạI HọC BáCH KHOA Hà NộI PGS.TS. Phạm Ngọc Nguyên GIáO TRìNH Kỹ thuật phân tích vật lý Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật Hà nội Mục lục Mục Lục Lời nói đầu 5 Chơng 1 Mở đầu 13 1.1 Giới thiệu 1.2 Loại vật liệu 1.3 Cấu trúc và liên kết nguyên tử 1.3.1 Cấu trúc nguyên tử 1.3.2 Nguyên tử số và nguyên tử lợng 1.3.3 Cấu trúc điện tử của nguyên tử 1.3.4 Các loại liên kết nguyên tử và phân tử 1.4 Cấu trúc và hình học tinh thể 1.4.1 Mạng không gian và ô cơ bản 1.4.2 Hệ tinh thể và mạng Bravais 1.4.3 Cấu trúc tinh thể điển hình 1.4.4 Phơng và mặt trong mạng lập phơng 1.4.5 Phơng và mặt trong mạng sáu phơng xếp chặt 1.4.6 So sánh cấu trúc tinh thể lập phơng tâm mặt, sáu phơng xếp chặt và lập phơng tâm khối 1.4.7 Tính toán mật độ khối lợng, mặt và đờng 1.4.8 Lỗ hổng 1.4.9 Tính đa hình hay tính thù hình 1.4.10 Sai lệch mạng tinh thể 1.4.11 Đơn tinh thể và đa tinh thể 13 13 16 16 16 18 28 32 32 33 34 43 48 50 53 57 57 58 66 Chơng 2 Nhiễu xạ tia x 71 2.1 Tia x 2.2 Tạo tia x 2.3 Nhiễu xạ tia x 71 72 79 7 mục lục 2.3.1 Hiện tợng nhiễu xạ 2.3.2 Định luật Bragg 2.3.3 Mạng đảo 2.4 Cờng độ tia x nhiễu xạ 2.4.1 Tán xạ bởi một điện tử 2.4.2 Tán xạ bởi một nguyên tử 2.4.3 Tán xạ bởi ô mạng cơ bản 2.5 Nhiễu xạ từ vật liệu vô định hình 2.6 Nhiễu xạ đơn tinh thể 2.7 Phơng pháp bột 2.7.1 Xác định cấu trúc tinh thể lập phơng 2.8 Đo chiều dày lớp bằng nhiễu xạ tia x 79 80 83 86 86 87 88 94 96 101 105 114 Chơng 3 Nhiễu xạ điện tử 118 3.1 Thuyết động học nhiễu xạ điện tử 3.1.1 Tán xạ điện tử trên nguyên tử 3.1.2 Biên độ tán xạ trên ô mạng cơ bản 3.1.3 Tán xạ điện tử trên tinh thể hoàn chỉnh 3.1.4 Biên độ sóng nhiễu xạ bởi tinh thể sai hỏng 3.2 Hình học ảnh nhiễu xạ điện tử 3.2.1 Dựng mạng đảo và ảnh nhiễu xạ điện tử 3.2.2 ảnh hởng độ cong của cầu phản xạ. Vùng Laue 3.2.3 Hiệu ứng nhiễu xạ kép 3.3 Các số liệu thu đợc từ cấu trúc tế vi của ảnh nhiễu xạ 3.3.1 Hình học ảnh nhiễu xạ trên cấu trúc song tinh 3.3.2 Tách nhiễu xạ do nhiễu xạ kép 118 118 124 125 133 136 136 142 143 145 145 148 Chơng 4 Hiển vi điện tử quét 153 4.1 Tơng tác giữa điện tử tới và vật chất 4.2 Thiết bị 4.3 Lý thuyết 4.3.1 Độ sâu trờng 4.3.2 Nguồn điện tử 4.3.3 Độ phân giải 4.4 Chuẩn bị mẫu 4.5 Các kiểu ảnh 4.5.1 Tơng phản ảnh điện tử thứ cấp 153 155 157 157 158 160 161 161 163 8 Mục lục 4.5.2 Tơng phản ảnh điện tử tán xạ ngợc 4.5.3 Tơng phản ảnh điện tử hấp thụ 4.5.4 Huỳnh quang catot 4.5.5 Tơng phản từ 4.5.6 Tơng phản thế 4.5.7 Tơng phản ảnh suất điện động 164 170 170 170 171 172 Chơng 5 Hiển vi điện tử truyền qua 174 5.1 Thuyết động học về tơng phản trên ảnh 5.1.1 Khái niệm 5.1.2 ảnh trờng tối 5.1.3 ảnh trờng sáng 5.1.4 Tơng phản từ tinh thể không hoàn chỉnh 5.2 Hiển vi điện tử truyền qua quét-STEM 5.2.1 Các ảnh nhận đợc bằng STEM và đặc điểm của chúng 5.2.2 Hiển vi điện tử truyền qua phân tích 177 177 177 182 182 199 201 205 Chơng 6 Hiển vi đầu dò quét 207 6.1 Hiển vi tunnel 6.1.1 Lý thuyết 6.1.2 Thiết bị 6.1.3 ứng dụng của STM 6.2 Hiển vi lực nguyên tử 6.2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 6.2.2 Lực tơng tác 6.2.3 Lò xo lá và mũi dò 6.2.4 Đo độ lệch của lò xo lá 6.2.5 Các chế độ hoạt động 6.2.6 Các kiểu hiển vi lực quét khác 6.2.7 ứng dụng của SFM 6.3 Các kỹ thuật liên quan 6.3.1 Hiển vi quang học trờng gần 6.3.2 Hiển vi điện tử năng lợng xung kích 6.3.3 Thiết bị profin nhiệt quét 6.3.4 Kính hiển vi dẫn ion quét 207 207 209 213 218 220 221 223 224 226 233 235 241 242 242 243 243 9 mục lục Chơng 7 Phổ điện tử quang tia x 245 7.1 Nguyên lý 7.2 Thiết bị 7.2.1 Nguồn tia x 7.2.2 Đetectơ 7.2.3 Độ phân giải không gian 7.3 Phân tích hoá học 7.4 Cấu trúc tăng thêm trong phổ XPS 7.5 Profin chiều sâu 7.6 Phân tích định lợng 7.7 ứng dụng 7.7.1 Polyme 7.7.2 Gỉ 245 246 247 250 251 254 257 257 259 259 260 260 Chơng 8 Vi phân tích bằng mũi dò điện tử 262 8.1 Giới thiệu 8.2 Thiết bị vi phân tích bằng mũi dò điện tử 8.3 Phát xạ tia x 8.4 Độ phân giải không gian tia x 8.5 Thu tia x 8.5.1 Phổ kế tán sắc sóng 8.5.2 Phổ kế tán sắc năng lợng 8.5.3 So sánh giữa phổ kế tinh thể và phổ kế năng lợng 8.6 Chuẩn bị mẫu 8.7 Phân tích định lợng 8.7.1 Hiệu chỉnh nguyên tử số 8.7.2 Hiệu chỉnh hấp thụ 8.7.3 Hiệu chỉnh huỳnh quang 8.7.4 Hiệu chỉnh ZAF 262 263 265 268 269 269 273 279 283 283 285 286 287 287 Chơng 9 Phổ điện tử Auger 289 9.1 Ký hiệu phổ 9.2 Thiết bị 9.3 Độ phân giải năng lợng 9.4 Hiệu ứng hoá học 9.5 AES định lợng 9.6 Xác định nồng độ nguyên tử 290 293 296 297 301 302 10 Mục lục Phụ lục 1 Các ký hiệu đợc sử dụng trong giáo trình 305 Phụ lục 2 P 2.1 Đơn vị của các đại lợng vật lý chọn lọc 308 P 2.2 Bội số và ớc số của đơn vị 309 P 2.3 Một số hệ số chuyển đổi thông dụng 309 P 2.4 Bớc sóng của các nguồn bức xạ chọn lọc 310 P 2.5 Chữ cái Hylạp thờng dùng 310 Phụ lục 3 Một số hằng số vật lý 311 Phụ lục 4 Một số từ viết tắt 313 Tài liệu tham khảo 315 11 ch ơng 1 Chơng 1 Mở đầu 1.1 Giới thiệu Vật liệu là vật chất cấu thành vật phẩm. Từ thuở sơ khai, vật liệu và năng lợng đã đợc con ngời sử dụng để nâng cao tiêu chuẩn của cuộc sống. Vật liệu ở mọi nơi quanh ta vì các sản phẩm đều đợc tạo nên từ vật liệu. Vật liệu là thuật ngữ chung đợc sử dụng để chỉ vật chất ở trạng thái rắn sinh ra trong tự nhiên hoặc đợc chế tạo để có các tính chất và đặc trng vật lý đặc biệt. Một số vật liệu thông dụng đợc kể đến là gỗ, bê tông, gạch, thép, plastic, thuỷ tinh, cao su, nhôm, đồng và giấy. Thêm vào đó, công cuộc nghiên cứu và phát triển diễn ra không ngừng nên các loại vật liệu mới lần lợt ra đời để đáp ứng cho khoa học kỹ thuật và nhu cầu của xã hội. Kỹ s là ngời thiết kế sản phẩm và dây chuyền công nghệ cần cho sản xuất. Sản phẩm đòi hỏi vật liệu và vì thế các kỹ s cần phải hiểu biết cấu trúc và các tính chất của vật liệu để có thể lựa chọn chúng một cách thích hợp nhất cho ứng dụng và triển khai các phơng pháp công nghệ tốt nhất. Chơng này sẽ phân biệt các loại vật liệu trên cơ sở một số tính chất vật lý quan trọng của chúng, đồng thời xem xét sự khác nhau về cấu trúc bên trong của vật liệu mà chủ yếu là vật liệu tinh thể. Do khuôn khổ của giáo trình và vì có nhiều thông tin về vật liệu kỹ thuật nên vật liệu đợc đa ra ở đây đã đợc giới hạn và chọn lọc. Các chơng còn lại sẽ trình bày kỹ thuật và phơng pháp phân tích vật liệu. 1.2 Loại vật liệu Có nhiều cách phân loại vật liệu, song để thuận tiện hầu hết vật liệu kỹ thuật đợc chia thành ba nhóm chính: vật liệu kim loại, vật liệu polyme (plastic) 13 mở đầu và vật liệu gốm. Ngoài ra, vật liệu điện tử và vật liệu compozit là những vật liệu đợc quan tâm đặc biệt vì tầm quan trọng kỹ thuật to lớn của chúng. Vật liệu kim loại Vật liệu kim loại bao gồm các nguyên tố kim loại, hợp kim của các kim loại hoặc với các nguyên tố phi kim loại nh cacbon, nitơ và ôxy. Thí dụ về nguyên tố kim loại là sắt, đồng, nhôm, niken và titan. Kim loại có cấu trúc tinh thể trong đó các nguyên tử đợc sắp xếp một cách trật tự. Nói chung, kim loại có tính dẫn điện và dẫn nhiệt tốt. Nhiều kim loại khá bền và dễ kéo sợi ở nhiệt độ phòng và nhiều loại khác rất bền ngay cả ở nhiệt độ cao. Kim loại và hợp kim (hỗn hợp của hai hoặc nhiều kim loại hoặc kim loại và phi kim) thờng đợc phân thành hai lớp: 1) Kim loại và hợp kim fero chứa một lợng lớn sắt nh thép và gang; 2) Kim loại và hợp kim không sắt hay kim loại và hợp kim màu không chứa sắt hoặc chỉ một lợng nhỏ sắt. Thí dụ về các kim loại màu là nhôm, đồng, thiếc, titan và niken. Thí dụ, động cơ phản lực của máy bay đợc chế tạo chủ yếu bằng hợp kim. Hợp kim đợc sử dụng cho các chi tiết bên trong động cơ có khả năng chịu đợc nhiệt độ và áp suất cao trong khi hoạt động. Các vật liệu hỗn hợp gốm và hỗn hợp kim loại cho các loại động cơ tuabin khí ngày càng đạt đợc sự hoàn thiện cao hơn. Vật liệu polyme Hầu hết vật liệu polyme đợc tạo thành bởi các chuỗi hoặc mạng phân tử hữu cơ dài (chứa cacbon). Về mặt cấu trúc, đa phần vật liệu polyme là phi kim, chỉ một số là hỗn hợp kim loại và phi kim. Độ bền và tính kéo sợi của vật liệu polyme thay đổi rất lớn. Do bản chất cấu trúc bên trong của chúng, hầu hết vật liệu polyme có tính dẫn điện rất kém. Một số vật liệu này đợc dùng làm vật cách điện tốt. Nói chung, vật liệu polyme có mật độ thấp, nhiệt độ nóng chảy và phân huỷ tơng đối thấp. Vật liệu gốm Vật liệu gốm là vật liệu vô cơ bao gồm các nguyên tố kim loại và phi kim loại liên kết hoá học với nhau. Vật liệu gốm có thể là tinh thể, không tinh thể hoặc hỗn hợp của cả hai. Hầu hết vật liệu gốm có độ bền nhiệt và độ cứng cao nhng có độ dòn cơ học. Gần đây, các vật liệu gốm mới đã phát triển mạnh cho ứng dụng trong động cơ. Những u điểm của vật liệu gốm trong 14 ch ơng 1 ứng dụng này là trọng lợng nhẹ, độ cứng và độ bền cao, chống mài mòn, chịu nhiệt tốt, tính ma sát giảm và cách điện. Nhiều vật liệu gốm có tính cách điện, chịu nhiệt và mài mòn tốt đã đợc sử dụng rất hiệu quả cho các lớp lót lò luyện kim loại lỏng nhiệt độ cao nh lò luyện thép. Gốm còn đợc dùng làm lớp phủ cho vỏ tàu con thoi. Chúng đợc sử dụng để chống nhiệt cho cấu trúc nhôm bên trong của vỏ tàu vũ trụ khi chuyển động trong tầng khí quyển trái đất. Vật liệu compozit Vật liệu compzit là hỗn hợp của hai hoặc nhiều vật liệu. Hầu hết vật liệu compozit gồm có một vật liệu nền để lấp đầy hoặc tăng cờng và một chất kết dính thích hợp để thu đợc các đặc trng và tính chất đặc biệt mong muốn. Thông thờng, các thành phần không hoà lẫn vào nhau và có thể xác định đợc về mặt vật lý bởi mặt phân cách giữa các thành phần. Compozit có nhiều loại và có nhiều cách tổng hợp chúng. Hai loại tiêu biểu nhất là sợi và hạt. Hai loại điển hình về vật liệu compozit hiện đại trong ứng dụng kỹ thuật là vật liệu tăng cờng sợi thuỷ tinh trong mạng polyeste hoặc epoxy và sợi cacbon trong mạng epoxy. Các loại vật liệu compozit này đợc sử dụng cho các phần cánh và động cơ máy bay. Một thí dụ khác của ứng dụng compozit là polyphenylen sunfua thuỷ tinh tăng cờng (PPS) để làm thiết bị và sản phẩm chịu dầu và chống gỉ. Vật liệu điện tử Vật liệu điện tử không phải là loại trọng yếu của vật liệu về khối lợng đợc sử dụng nhng là loại vật liệu vô cùng quan trọng cho công nghệ kỹ thuật tiên tiến. Vật liệu điện tử bao gồm các vật liệu dùng để chế tạo các linh kiện điện tử, trong đó quan trọng nhất là các loại bán dẫn, thí dụ, silic và các hợp chất A 3 B 5 . Các vật liệu này thờng đợc sử dụng dới dạng các đơn tinh thể hoàn hảo, tinh khiết hoặc đợc pha tạp với liều lợng chính xác. Đa số các mạch điện phức tạp có thể đợc hoàn thành trên một chip silic cỡ 0,635 cm 2 . Silic và các vật liệu bán dẫn khác đợc sử dụng để chế tạo mạch vi điện tử cho các sản phẩm mới nh vệ tinh truyền thông, siêu máy tính, máy tính xách tay, máy thu hình số và các loại thiết bị công nghiệp khác. Các robot máy tính hoá trong sản xuất hiện đại không ngừng đợc cải tiến để nâng cao hiệu quả sản xuất. Vật liệu điện tử thực sự đóng một vai trò sống còn trong các "nhà máy của tơng lai" ở đó hầu nh toàn bộ công việc sản xuất có thể đợc tiến hành nhờ các robot đợc điều khiển bằng máy tính. 15 [...]... quá trình liên kết này 1.4 Cấu trúc và hình học tinh thể 1.4.1 Mạng không gian và ô cơ bản Cấu trúc vật lý của vật liệu rắn phụ thuộc chủ yếu vào sự sắp xếp các nguyên tử, ion hoặc phân tử cấu thành vật rắn và lực liên kết giữa chứng Nếu các nguyên tử hoặc ion của vật rắn đợc sắp xếp trong một mẫu hình lặp lại trong không gian ba chiều thì chúng tạo thành vật rắn có cấu trúc tinh thể và đợc gọi là vật. .. tử càng tự do và liên kết càng 30 c h ơ n g 1 Hình 1.10 Sơ đồ minh hoạ liên kết Van Der Waals giữa hai lỡng cực điện Hình 1.11 Phân bố điện tích trong nguyên tử khí hiếm: (a) trờng hợp lý tởng, phân bố mây điện tích điện tử đối xứng, (b) trờng hợp thực, phân bố mây điện tích điện tử không đối xứng và thay đổi theo thời gian, hình thành lỡng cực điện thăng giáng mang tính kim loại Các nguyên tố nhóm... điện phân tử Lỡng cực đợc tạo thành trong nguyên tử hoặc phân tử khi tồn tại các tâm điện tích trái dấu, hình 1.10 Lỡng cực thăng giáng liên kết các nguyên tử với nhau do sự phân bố không đối xứng của điện tích điện tử trong nguyên tử và thay đổi theo thời gian, hình 1.11 Lực liên kết này là rất quan trọng đối với sự hoá lỏng và đông đặc của khí hiếm Liên kết lỡng cực vĩnh cửu đợc thiết lập giữa các phân. .. trờng ngoài, các trạng thái trong mỗi phân lớp là nh nhau Tuy 21 m ở đ ầ u Bảng 1.1 Số trạng thái điện tử có thể có trong một số lớp và phân lớp điện tử Số lợng điện tử Phân lớp Số trạng thái Trên phân lớp Trên lớp K s 1 2 2 L s 1 2 8 p 3 6 s 1 2 p 3 6 d 5 10 s 1 2 p 3 6 d 5 10 f 7 14 Số lợng tử chính n Lớp 1 2 3 4 M N 18 32 nhiên, khi có mặt của từ trờng các trạng thái phân lớp bị tách ra, mỗi trạng thái... -1,602ì10-19C (bằng điện tích nhng ngợc dấu với proton) Nh vậy đám mây điện tử chiếm hầu nh toàn bộ thể tích nguyên tử nhng chỉ chiếm một phần rất nhỏ khối lợng nguyên tử Các điện tử, đặc biệt những điện tử lớp ngoài, xác định hầu hết các tính chất điện, hoá, cơ và nhiệt của nguyên tử, và vì thế kiến thức cơ bản về cấu trúc nguyên tử là rất quan trọng trong nghiên cứu vật liệu kỹ thuật 1.3.2 Nguyên tử... gian ba chiều thì chúng tạo thành vật rắn có cấu trúc tinh thể và đợc gọi là vật rắn tinh thể hay vật liệu tinh thể Thí dụ về vật liệu tinh thể là kim loại, hợp kim và một số vật liệu gốm Sự sắp xếp nguyên tử trong vật rắn tinh thể có thể đợc mô tả bằng một mạng lới ba chiều mà nút mạng là các nguyên tử (hoặc phân tử, ion) Mạng lới nh vậy đợc gọi là mạng không gian và có thể đợc mô tả nh là một ma trận... đám mây điện tử phân tán với mật độ thay đổi có đờng kính cỡ 10-10m (đờng kính nguyên tử) Hạt nhân chứa proton và nơtron xem nh chiếm toàn bộ khối lợng của nguyên tử Proton có khối lợng 1,673ì10-24g và điện tích đơn vị + 1,602 ì10-19 coulomb (C) Nơtron hơi nặng hơn proton và có khối lợng 1,675ì10-24g nhng không mang điện tích Điện tử có khối lợng tơng đối nhỏ, 9,109ì10-28g, và điện tích đơn vị -1,602ì10-19C... các phân tử Thí dụ, các kim loại nh titan và sắt có liên kết hỗn hợp kim loại-hoá trị; hợp chất liên kết hoá trị nh GaAs và ZnSe có đặc trng ion nào đó; một số hợp 31 m ở đ ầ u Hình 1.12 (a) Bản chất lỡng cực vĩnh cửu của phân tử nớc (b) Liên kết hyđro trong phân tử nớc do lực hút lỡng cực vĩnh cửu chất nh NaZn13 có liên kết hỗn hợp ion - kim loại Nói chung, liên kết xảy ra giữa các nguyên tử hoặc phân. .. Na+Cl- , hình 1.7 Trong quá trình ion hoá nguyên tử natri có bán kính 0,129 nm bị giảm kích thớc thành cation Na+ với bán kính 0,095 nm còn nguyên tử clo có bán kính 0,099 nm to lên thành anion Cl- với bán kính 0,181 nm Nguyên tử natri bị giảm kích thớc khi trở thành ion vì mất điện tử 3s1 và vì giảm tỉ số điện tử/proton Hạt nhân của ion natri tích điện dơng hơn sẽ hút mây điện tích điện tử chặt hơn và... bản và chỉ ra các khu vực có khả năng nhất tìm thấy điện tử trong đó: e - điện tích điện tử m - khối lợng điện tử n - số nguyên và đợc gọi là số lợng tử chính Trong thuyết nguyên tử hiện đại, n trong phơng trình Bohr đợc ký hiệu cho số lợng tử chính và biểu thị các mức năng lợng chính cho các điện tử trong nguyên tử Từ phơng trình Bohr (1.3) mức năng lợng của điện tử hyđro ở trạng thái cơ bản là -13,6 . về vật liệu kỹ thuật nên vật liệu đợc đa ra ở đây đã đợc giới hạn và chọn lọc. Các chơng còn lại sẽ trình bày kỹ thuật và phơng pháp phân tích vật liệu. 1.2 Loại vật liệu Có nhiều cách phân. BáCH KHOA Hà NộI PGS.TS. Phạm Ngọc Nguyên GIáO TRìNH Kỹ thuật phân tích vật lý Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật Hà nội Mục lục Mục Lục Lời. phân loại vật liệu, song để thuận tiện hầu hết vật liệu kỹ thuật đợc chia thành ba nhóm chính: vật liệu kim loại, vật liệu polyme (plastic) 13 mở đầu và vật liệu gốm. Ngoài ra, vật liệu