phương pháp nhiễu xạ tia X

Nhiễu xạ Tia X MỞ ĐẦU Trong tự nhiên vật liệu có khuynh hướng tồn trạng thái cân bền, nguyên tử tạo nên vật liệu tự tìm cho quy luật xếp có trât tự tối ưu nhất: cấu trúc tinh thể Tinh thể học đời từ kỉ XVII với phát định luật bảo toàn góc tượng khúc xạ kép tia sáng truyền tinh thể Đầu kỉ XX, với khám phá tượng nhiễu xạ tia X tinh thể mở thời kỳ phát triển rực rỡ cho Tinh thể học Việc phát tia X thành tựu lĩnh vực tia X có ý nghĩa quan trọng Vật lý, nhờ mà nhà nghiên cứu khoa học xem xét cấu trúc xác nhận kết vật liệu chế tạo thông qua việc sử dụng phương pháp nhiễu xạ tia X… Trong tiểu luận này, em xin trình bày số vấn đề phương pháp nhiễu xạ tia X, cụ thể nội dung thu hoạch gồm có hai phần: Phần 1: Cơ sở lý thuyết Phần 2: Bài tập Nguyễn Thị Hà Nhiễu xạ Tia X PHẦN 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Cấu trúc tinh thể vật liệu Để tạo thành mạng tinh thể cần có hai tiền đề: - Mạng không gian - Đơn vị cấu trúc tinh thể Tinh thể tạo thành cách gắn đơn vị cấu trúc tinh thể vào nút mạng không gian theo trật tự định hướng Một tinh thể lí tưởng gồm đơn vị cấu trúc tinh thể xếp thành mạng không ur r gian cho xem xét từ điểm tùy ý có bán kính vectơ r điểm r ' mạng tinh thể tính chất chúng hoàn toàn giống với ur r ur r' = r + T (1.1) ur r r r T = n1 a + n2 b + n3 c (1.2) r r r ur a , b , c ba vectơ tịnh tiến; n 1, n2, n3 số nguyên; T vectơ tịnh tiến ur Tập hợp tất điểm có bán kính vectơ T thỏa mãn (1.2) tạo thành mạng không gian gọi mạng Brave Phép đối xứng quy luật đặc trưng quan trọng đặc điểm hình học tinh thể Phép đối xứng thể qua yếu tố đối xứng Có yếu tố đối xứng đơn quan trọng đối xứng tịnh tiến ( T ), tâm đối xứng ( C i ), mặt đối xứng gương ( m P ), trục đối xứng ( L n ) Ngoài tinh thể có phép đối xứng tổ hợp r trục đối xứng nghịch đảo (L in hay n , Lin = Ln + i), trục quay gương bậc n (L nm = Ln + m) Giữa phần tử đối xứng (đơn tập hợp) có quan hệ tương đương thay Có tất 32 lớp đối xứng (27 lớp đối xứng chứa phương đơn gồm dạng nguyên thủy, dạng tâm, dạng mặt, dạng trục, dạng mặt trục; có lớp đối xứng không chứa phương đơn) có hệ tinh thể (hình 1.1) Nguyễn Thị Hà Nhiễu xạ Tia X Hình 1.1 Mười bốn mạng Brave bảy hệ tinh thể Khi lập tổ hợp yếu tố đối xứng mạng tinh thể vô hạn ta nhận 230 nhóm đối xứng không gian Ngoài yếu tố đối xứng nêu có thêm mặt ảnh trượt (là tập hợp gồm mặt đối xứng gương phép tịnh tiến song song với mặt gương), trục xoắn (là tập hợp gồm trục đối xứng xoay phép tịnh tiến song song với trục), phép tịnh tiến Brave Trong mạng tinh thể có ô sơ cấp gọi ô sở Các tiêu chuẩn để chọn ô sở cho mạng tinh thể phải có đầy đủ tính đối xứng toàn mạng tinh thể, số cạnh số góc cạnh phải nhiều nhất, có góc vuông cạnh số góc vuông phải nhiều nhất, thể tích ô sở phải nhỏ Muốn vậy, ô Nguyễn Thị Hà Nhiễu xạ Tia X mạng sở phải có cạnh trùng với phương trục tinh thể có độ dài bước tịnh tiến ngắn nằm trục Hình 1.2 Một ô sở đơn giản Vị trí nút mạng ô sở xác định tọa độ tính theo đơn vị độ dài a, b, c ba trục tọa độ n1a, n2b, n3c Khi tọa độ nút mạng n1, n2, n3 kí hiệu [[n1 n2 n3]] Nếu nút mạng có tọa âm, chẳng hạn -n1 < ta kí hiệu nút ¬ mạng © ª«n1n2 n3 ® ­ Ta xác định kí hiệu phương mạng, trục hay đường thẳng mạng tinh thể cách kẻ đường thẳng song song với phương mạng xem xét qua gốc tọa độ, nút mạng [[n1 n2 n3]] nằm đường gần với gốc tọa độ cho ta vị trí tọa độ phương mạng (một trục hay đường thẳng mạng tinh thể bằng) kí hiệu [n1 n2 n3] ] Các phương song song với tính chất, kí hiệu gọi hệ phương Các phương không song song tương đương mặt vật lý gọi họ phương kí hiệu < n1 n2 n3> Vị trí mặt mạng xác định theo tọa độ nút mạng ( Bài tập 1) Trường hợp mặt mạng song song với trục tọa độ có số Miller Nếu số Miller có giá trị âm ta thêm dấu (−) lên phía đầu số tương ứng giống trường hợp nút mạng Tập hợp mặt mạng tinh thể tương đương tính chất vật lý kí hiệu {h k l} Nguyễn Thị Hà Nhiễu xạ Tia X z [[001]] [[011]] [101] [[111]] [[101]] (010) O [[010]] [[100]] [[110]] y Hình 1.3 Kí hiệuxnút mạng, kí hiệu phương mạng, số Miller mặt mạng hệ lập phương Những cấu trúc tinh thể điển hình vật rắn: - Cấu trúc tinh thể vật liệu kim loại ( FCC ) - Cấu trúc lập phương kiểu CsCl ( B2 ) - Cấu trúc lập phương kiểu NaCl ( B1 ) - Cấu trúc kiểu kim cương ( A4 ) - Cấu trúc lập phương kiếu ZnS ( B3 ) - Cấu trúc lập phương kiểu CaF2 ( C1 ) - Cấu trúc lục giác kiểu ZnS - Cấu trúc perovskit ABO3 - Cấu trúc spinel AB2O4 - Mạng graphit Nguyễn Thị Hà Nhiễu xạ Tia X 1.2 Lý thuyết nhiễu xạ Tia X Năm 1985, nhà vật lý người Đức W K Roentgen thí nghiệm với tia âm cực khám phá tia X đến năm 1901 ông tặng giải thưởng Nobel Vật lý với phát minh Tiếp đó, đến năm 1914, M Laue phát tượng nhiễu xạ tinh thể Đến năm 1915, bố Bragg thiết lập phương pháp phân tích cấu trúc cấu trúc tinh thể nhiễu xạ tia X… Tia X xạ sóng điện từ vừa có tính chất hạt, vừa có tính chất sóng truyền không gian với tốc độ ánh sáng với lượng: E = hv = hc λ (1.3) Trong ν tần số xạ tia X [Hz], λ bước sóng xạ tia X [Å], c ~ 3.10 m/s, h = 6,6242.10-27 e.s Bức xạ tia X có dải sóng từ 0,1 đến 100Å, tương đương với dải lượng từ 0,1keV đến 100keV Khi chùm tia X qua vật liệu xảy hiệu ứng sau: - Hiệu ứng tán xạ: tia tới thay đổi phương truyền không thay đổi lượng gọi tán xạ đàn hồi Rayleigh  Nhiễu xạ tia X, tia tới thay đổi phương truyền lượng gọi tán xạ không đàn hồi Compton - Hiệu ứng nhiệt: làm tăng biên độ dao động nhiệt electron liên kết vật liệu - Hiệu ứng truyền thẳng: số vật liệu suốt tia X - Hiệu ứng huỳnh quang tia X: tia tới có lượng đủ lớn kích thích electron từ lớp K, L, M nguyên tử nhảy sang mức lượng cao hơn, xa hạt nhân electron trở lại trạng thái ban đầu nguyên tử phát vạch tia X đặc trưng cho nguyên tố hóa học tạo nên vật liệu Nguyễn Thị Hà Nhiễu xạ Tia X - Hiệu ứng electron: gồm quang electron electron Auger (bức xạ tia X sản sinh từ nguyên tử chưa kịp khỏi nguyên tử bị electron lớp nguyên tử hấp thụ tự rời khỏi nguyên tử) Hiện tượng nhiễu xạ tia X xảy với ba điều kiện vật liệu có cấu trúc tinh thể, có tán xạ đàn hồi, bước sóng tia X sơ cấp (tia tới) có giá trị bậc với khoảng cách nguyên tử mạng tinh thể W L Bragg dùng mô hình hình học đơn giản tượng nhiễu xạ tia X hình 1.4 Hình 1.4 Hiện tượng nhiễu xạ tia X Chùm tia X tới (đơn sắc) có bước sóng λ nằm mặt phẳng hình vẽ Họ mặt phẳng nguyên tử (hkl) mạng tinh thể song song cách khoảng d hkl cắt mặt phẳng hình vẽ với giao tuyến đường thẳng song song Chùm tia X tới có phương truyền làm với mặt phẳng họ mặt mạng tinh thể (hkl) góc θ Các tia phản xạ tạo nên chùm tia X song song có bước sóng có phương truyền làm với phương tia tới góc 2θ Khi hiệu số pha tia X phản xạ 2nπ (n số nguyên) điểm hội tụ chùm tia có vân giao thoa với cường độ ánh sáng cực đại, cực đại nhiễu xạ Từ hình 1.4 cho thấy hiệu quang trình hai tia 2dsinθ Bragg biểu diễn điều kiện để có tượng nhiễu xạ là: 2dsinθ = nλ Nguyễn Thị Hà (1.4 ) Nhiễu xạ Tia X d = dhkl, n bậc phản xạ (nguyên, dương) (1.4) gọi phương trình Bragg hệ tất yếu đặc trưng tinh thể trật tự, tuần hoàn vô hạn mà không phụ thuộc vào thành phần hóa học, vào nguyên tử mặt phẳng phản xạ Phân tích mẫu đơn tinh thể xác định đặc trưng cấu trúc tinh thể dựa theo ảnh nhiễu xạ (ô sở, xác định hệ tinh thể, xác định số mạng, xác định nhóm đối xứng, xác định đơn vị cấu trúc tinh thể, số nguyên tử tọa độ chúng ô sở, xác định định hướng tinh thể) Các phương pháp xác định cấu trúc tinh thể gồm có phương pháp Laue (1879 - 1960), phương pháp quay đơn tinh thể, nhiễu xạ kế tia X Nhiễu xạ kế tia X thiết bị xác cao khí, hoàn chỉnh chương trình điều khiển đo tự động, nhanh chóng xác xử lý số liệu Hình 1.5 sơ đồ nguyên lý nhiễu xạ kế tia X Nhiễu xạ kế tia X gồm bốn khối bản, ống phát tia X, nguồn điện dùng cho ống tia X, bàn đo góc, ống đếm thiết bị electron ghi nhận xử lý tín hiệu Trong ống tia X trì chân không cao (10 -5 ÷ 10-7 mmHg) Khi ống tia X hoạt động có trình tạo eletron tự catot (bằng cách đốt nóng catot), gia tốc electron tự với điện ~ 50 kV, hãm phanh chùm electron có động lớn anot Nguyễn Thị Hà Nhiễu xạ Tia X Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý nhiễu xạ kế tia X Nguồn điện dùng cho ống tia X có điện áp âm, chiều, 20 ÷ 60 kV, cường độ dòng điện qua ống tia X ÷ 45 mA Bộ nguồn cấp điện áp 60 kV cho ống tia X (máy phát) có điện áp Ua dòng đốt Ia phải ổn định theo thời gian phải có hệ thống nước đủ áp suất, đủ lạnh để làm nguội phát ống tia X Bàn đo góc có độ lặp lại cao thỏa mãn tốt điều kiện tụ tiêu cho tia nhiễu xạ vị trí ống đếm Sơ đồ tụ tiêu Bragg - Bretano hình 1.6 dùng phổ biến cho nhiễu xạ kế Nguyễn Thị Hà Nhiễu xạ Tia X Hình 1.6 Sơ đồ tụ tiêu Bragg - Bretano Tâm gương anot F, tâm bề mặt mẫu S tâm khe chắn trước ống đếm C phải nằm vòng tròn bán kính r (vòng tròn tụ tiêu) Với: r= R 2sin θ (1.5) R bán kính vòng tròn dịch chuyển ống đếm, θ góc phương tia tới bề mặt mẫu đo Bàn đo góc nhiễu xạ kế thông thường với ống phát tia X cố định vị trí, có hai vòng quay hai đĩa tròn đồng tâm, đĩa M gắn cố định với giá lắp mẫu đo thị góc tới, đĩa thư hai (Đ) gắn cố định với ống đếm thi góc 2θ Bàn đo góc có chế độ làm việc mẫu đo (S) ống đếm (C) quay với tỉ lệ vận tốc góc 1/2, ống đếm quét mẫu đo không quay, lắc mẫu đo quanh góc o (-1 ≤ θ ≥ 1) ống đếm đứng yên vị trí chọn Các nhiễu xạ kế thiết kế bàn đo góc có mẫu đo cố định, ống tia X ống đếm quay đồng bộ, vận tốc góc Chức ống đếm ghi nhận tia X Có ba loại ống đếm dùng phổ biến kỹ thuật tia X ống đếm chứa khí, ống đếm nhấp nháy ống đếm bán dẫn 1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến giản đồ nhiễu xạ Tia X mẫu bột 1.3.1 Bước sóng tia X Nguyễn Thị Hà 10 Nhiễu xạ Tia X Từ định luật Bragg ta thấy rằng: với bước sóng λ dhkl ta nhận cực đại nhiễu xạ theo phương với góc θ θ = Arcsin ( λ/2dhkl ) Hàm sin nhận giá trị ≤ sinθ ≤ nên λ ≤ 2d phương trình có nghiệm, tức tượng nhiễu xạ tia X với mạng tinh thể xảy bước sóng tia X sơ cấp phải bậc với khoảng cách nguyên tử mạng tinh thể 1.3.2 Chế độ đo Giản đồ nhiễu xạ thu từ nhiễu xạ kế hệ ghi theo chế độ gián đoạn nhờ mô tơ bước sử dụng kĩ thuật số để thu, giữ số liệu đo Một chương trình chuyên dụng để xử lý số liệu đo vẽ thành biểu đồ cần thiết Kết đo xác giản đồ thu gần với đường phân bố thực Muốn khoảng cách điểm đo (step size - ss) phải bé thời gian đếm số xung (count time - ct) đủ lớn: Các khả có bước đo : 0,01; 0,02; 0,03; … 0,1 độ Thời gian đếm là: 0,4; 0,6; 1,2; 3”…… Tuy nhiên bước đo bé, thời gian đo bước dài, tổng thời gian đo lớn, tiêu hao nhiều điện năng, tổn hao thiết bị nên đo cần thiết Chế độ đo ss = 0,03 ct = 1s sử dụng thường xuyên Do chùm tia X luôn có độ phân kỳ nên điều kiện tụ tiêu thỏa mãn bề mặt mẫu đo phải phần mặt trụ, thực tế gia công mẫu đo có bề mặt vậy, mà phải đo với bề mặt mẫu phẳng Để hạn chế tối đa sai số ta phải hạn chế tối đa độ phân kỳ chùm tia X tới 1.3.3 Xử lý số liệu đo Trên thực tế, xạ Kα tia X sơ cấp có thành phần Kα 1, Kα2 với bước sóng sai khác 0,01 – 0,02Å, hai vạch nhiễu xạ tương ứng chồng phủ lên nhau, mức độ chồng phủ tỷ lệ nghịch với giá trị góc 2theta Vì bước bắt buộc cần Nguyễn Thị Hà 11 Nhiễu xạ Tia X thiết trước khai thác giản đồ niễu xạ tách bỏ thành phần Kα Sau tiến hành trừ tín hiệu làm trơn đường thực nghiêm 1.3.4 Điều kiện thực nghiệm Hiện nay, hãng sản xuất nhiễu xạ kế tia X , công ty chuyên phần mềm máy tính có chương trình hoàn chỉnh, đồng chuyên xử lý số liệu nhiễu xạ tia X, vấn đề lại cần kỹ thuật thực nghiệm hoàn thiện Các điều kiện thực nghiệm: lượng mẫu phải ~ 1gam, mẫu phải nghiền, trộn đều, hạt mịn có kích thước ~ μm, đặt bước đo thời gian đếm hợp lý 1.4 Ứng dụng phương pháp nhiễu xạ Tia X mẫu bột nghiên cứu khoa học vật liệu Phương pháp nhiễu xạ tia X có nhiều ưu điểm: - Xác định cấu trúc tinh thể Phát có mặt pha tinh thể có vật liệu, mức độ đóng góp pha tinh thể có vật liệu - Nó phân biệt dạng kết tinh khác công thức hóa học, dạng thù TiO2 anatase TiO2 rutin… - Mẫu phân tích không bị phá hủy - Lượng mẫu cần phân tích - …… Do vậy, phương pháp nhiễu xạ tia X mẫu bột ứng dụng rộng rãi nghiên cứu khoa học vật liệu, phép đo để khảo sát đánh giá chất lượng mẫu vật liệu Nguyễn Thị Hà 12 Nhiễu xạ Tia X PHẦN 2: BÀI TẬP Bài tập 1: rrr a Ta chọn hệ trục tọa độ Oxyz vectơ sở , b, c hình vẽ Ở hình 2.1a, ta thấy mặt phẳng đánh dấu song song với hai trục Ox, Oy nên số Miller tương ứng Ngoài mặt phẳng đánh dấu cắt trục Oz z = 1, lấy nghịch đảo ta thu số Miler mặt phẳng đánh dấu hình 2.1a (001) Hình 2.1b cho ta mặt phẳng mạng họ với mặt phẳng (001) Ở hình 2.2a, ta thấy mặt phẳng đánh dấu chứa trục Oy nên số Miller tương ứng Ngoài mặt phẳng đánh dấu cắt trục Ox 1a, cắt trục Oz 1c, lấy nghịch đảo ta thu số Miler mặt phẳng đánh dấu hình 2.2a (101) Hình 2.2b cho ta mặt phẳng mạng họ với mặt phẳng (101) Hình 2.1a Nguyễn Thị Hà Hình 2.1b 13 Nhiễu xạ Tia X Hình 2.2a Hình 2.2b Bài tập 2: Từ giản đồ nhiễu xạ trên, ta thu đc thông tin sau: - Mẫu vật liệu đo hệ máy SIEMENS D5000, với bước sóng tia X 1,5406Å, thời gian đếm 0,7s, bước đo 0,03 độ đo nhiệt độ phòng - Trên giản đồ nhiễu xạ hình thành vạch nhiễu xạ chứng tỏ mẫu kết tinh - Tuy nhiên phần bị dâng lên có quầng chứng tỏ có tham gia thành phần vô định hình, mẫu kết tinh chưa tốt - Mẫu thu đa pha tinh thể, gồm có hai pha Titan oxit Anatase (vạch màu xanh) Titan oxit Brookite (vạch màu tím), dựa vào cường độ vạch nhiễu xạ kết luận mẫu thu có đóng góp chủ yếu pha Anatase Bài tập 3: Nguyễn Thị Hà 14 Nhiễu xạ Tia X Cách xác định kích thước hạt nano tinh thể từ số liệu nhiễu xạ tia X: Xác định kích thước hạt dựa vào hiệu ứng kích thước hạt với giản đồ nhiễu xạ nghiên cứu ứng dụng từ lâu Các kết xác định kích thước hạt nano tinh thể từ số liệu nhiễu xạ tia X mẫu bột không kích thước trung bình hạt mà tính đường cong phân bố theo kích thước hạt, ứng suất dư Bản chất vật lý phương pháp tia X kích thước hạt độ rộng vạch nhiễu xạ có mối liên hệ phụ thuộc Mẫu có hạt với kích thước lớn độ rộng vạch nhiễu xạ bé; ngược lại, mẫu có hạt kích thước bé độ rộng vạch nhiễu xạ lớn Mẫu bột có kích thước hạt ~ 1nm, vạch nhiễu xạ bị nhòa rộng, gần với phông nền, khó xác định đỉnh Đó vật liệu giả vô định hình hay vật liệu vô định hình kĩ thuật tia X Đường cong phân bố cường độ (ĐCPBCĐ) vạch nhiễu xạ theo trục góc θ gọi profile vạch nhiễu xạ Mức độ nhòa rộng ĐCPBCĐ đánh giá theo độ rộng Có hai cách xác định độ rộng vạch : - Độ rộng tích phân (độ rộng Laue) tỉ số cường độ tích phân cường độ cực đại I max - Độ rộng Sherrer độ rộng ĐCPBCĐ độ cao nửa cường độ cực đại (I max /2 ) Kích thước hạt tính theo công thức (Scherrer): D= kλ β cos θ Trong : D kích thước hạt tinh thể đơn vị Å; β độ rộng vật lý tính theo đơn vị radian, λ bước sóng kα1 ống tia X, λ = 1,5406 Å θ góc tính theo phương trình Bragg; k số Scherrer, phụ thuộc vào hình dạng hạt số Miller (hkl) vạch nhiễu xạ, k = 0,9 Nguyễn Thị Hà 15 Nhiễu xạ Tia X Ta sử dụng công thức : ( B f )2 = ( Bs )2 - ( Bm)2 để tính độ rộng vật lý β, ta lấy FWHM mẫu chuẩn làm độ rộng dụng cụ Áp dụng công thức ta tính kích thước hạt nano tinh thể kết cho bảng sau: theta (độ) FWHM (độ) β D (Å) Mẫu chuẩn 48,013 0,167 Mẫu số 48,021 0,809 0,0138 109,867 Mẫu số 47,986 0,898 0,0154 98.552 Các yếu tố ảnh hưởng đến phương pháp Trong biểu thức Scherrer , kích thước hạt D tỉ lệ nghịch với độ rộng β cos θ mẫu số, nên muốn giá trị D xác cần sử dụng vạch nhiễu xạ tương ứng với góc θ bé Yếu tố ảnh hưởng đến phương pháp nhòa rộng vạch nhiễu xạ hai nguyên nhân: - Trạng thái cấu trúc: kích thước ~ -30nm; ứng suất dư tế vi khuyết tật xếp mạng tinh thể - Điều kiện thực nghiệm: Độ rộng vạch tia X sơ cấp; độ phân kì chùm tia X sơ cấp tia nhiễu xạ; cấu hình học nhiễu xạ kế Đó độ rộng dụng cụ ĐCPBCĐ vạch nhiễu xạ, gọi tắt độ rộng dụng cụ Độ rộng nhiễu ĐCPBCĐ vạch nhiễu xạ nhận từ thực nghiệm kết đồng thời hai nguyên nhân làm nhòa rộng Mục đích phân tích ĐCPBCĐ vạch nhiễu xạ tách riêng độ rộng vật lí độ rộng dụng cụ Để đạt mục đích đó, ta phải ghi giản đồ nhiễu xạ mẫu nghiên cứu mẫu chuẩn nhiễu xạ kế chế độ thực nghiệm Mẫu chuẩn vật liệu loại với mẫu nghiên cứu, có hạt với kích thước lớn ứng suất dư tế vi khuyết tật xếp mạng không đáng kể Như độ rộng ĐCPBCĐ vạch nhiễu xạ từ mẫu chuẩn độ rộng dụng cụ Giới hạn phương pháp Nguyễn Thị Hà 16 Nhiễu xạ Tia X - Độ rộng dụng cụ luôn tồn - Kích thước hạt tinh thể ≤ 100nm - Kết thu kích thước đômen tinh thể ( hoàn hảo cấu trúc), kích thước hạt vật chất KẾT LUẬN Nguyễn Thị Hà 17 Nhiễu xạ Tia X Sau hoàn thành môn học phương pháp nhiễu xạ tia X, chúng em lĩnh hội nhiều kiến thức quan trọng cho việc học tập nghiên cứu khoa học - Được trang bị kiến thức quan trọng phương pháp nhiễu xạ tia X khả ứng dụng phân tích định tính, định lượng pha tinh thể… - Hiểu bước tiến hành để thu giản đồ nhiễu xạ tia X - Đã có khả thu nhận thông tin cần thiết từ giản đồ nhiễu xạ tia X, bước tính toán kích thước hạt, số mạng tinh thể… phục vụ cho công việc nghiên cứu khoa học sau Nguyễn Thị Hà 18 [...]... Nguyễn Thị Hà 17 Nhiễu x Tia X Sau khi hoàn thành môn học về phương pháp nhiễu x tia X, chúng em đã lĩnh hội được rất nhiều kiến thức quan trọng cho việc học tập và nghiên cứu khoa học - Được trang bị những kiến thức quan trọng của phương pháp nhiễu x tia X và khả năng ứng dụng phân tích định tính, định lượng pha tinh thể… - Hiểu được các bước tiến hành để thu được một giản đồ nhiễu x tia X - Đã có khả... đóng góp chủ yếu của pha Anatase Bài tập 3: Nguyễn Thị Hà 14 Nhiễu x Tia X Cách x c định kích thước hạt nano tinh thể từ số liệu nhiễu x tia X: X c định kích thước hạt dựa vào các hiệu ứng do kích thước hạt với giản đồ nhiễu x đã được nghiên cứu và ứng dụng từ lâu Các kết quả x c định kích thước hạt nano tinh thể từ số liệu nhiễu x tia X mẫu bột không chỉ là kích thước trung bình của hạt mà còn... thực nghiệm: Độ rộng vạch của tia X sơ cấp; độ phân kì của chùm tia X sơ cấp và tia nhiễu x ; cơ cấu hình học của nhiễu x kế Đó là độ rộng dụng cụ của ĐCPBCĐ vạch nhiễu x , gọi tắt là độ rộng dụng cụ Độ rộng nhiễu của ĐCPBCĐ vạch nhiễu x nhận được từ thực nghiệm là kết quả đồng thời của hai nguyên nhân làm nhòa rộng trên đây Mục đích của phân tích ĐCPBCĐ vạch nhiễu x tách riêng độ rộng vật lí và... chỉnh, đồng bộ chuyên về x lý các số liệu nhiễu x tia X, vấn đề còn lại là cần kỹ thuật thực nghiệm hoàn thiện Các điều kiện thực nghiệm: lượng mẫu phải ~ 1gam, mẫu phải nghiền, trộn đều, hạt mịn có kích thước ~ μm, đặt bước đo và thời gian đếm hợp lý 1.4 Ứng dụng của phương pháp nhiễu x Tia X mẫu bột trong nghiên cứu khoa học vật liệu Phương pháp nhiễu x tia X có nhiều ưu điểm: - X c định được cấu trúc... của phương pháp tia X là kích thước hạt và độ rộng của vạch nhiễu x có mối liên hệ phụ thuộc Mẫu có các hạt với kích thước lớn độ rộng vạch nhiễu x bé; ngược lại, mẫu có các hạt kích thước bé độ rộng vạch nhiễu x lớn Mẫu bột có kích thước hạt ~ 1nm, vạch nhiễu x sẽ bị nhòa rộng, gần với phông nền, khó x c định được đỉnh Đó là vật liệu giả vô định hình hay vật liệu vô định hình trong kĩ thuật tia X. . .Nhiễu x Tia X Từ định luật Bragg ta thấy rằng: với bước sóng λ và dhkl ta chỉ nhận được một cực đại nhiễu x theo phương với góc θ là θ = Arcsin ( λ/2dhkl ) Hàm sin chỉ nhận các giá trị 0 ≤ sinθ ≤ 1 nên λ ≤ 2d thì phương trình trên có nghiệm, tức là hiện tượng nhiễu x tia X với mạng tinh thể chỉ có thể x y ra khi bước sóng của tia X sơ cấp phải cùng bậc với khoảng... phải ghi giản đồ nhiễu x của mẫu đang nghiên cứu và mẫu chuẩn trên cùng một nhiễu x kế và cùng chế độ thực nghiệm Mẫu chuẩn là vật liệu cùng loại với mẫu nghiên cứu, có hạt với kích thước lớn và ứng suất dư tế vi và khuyết tật sắp x p mạng không đáng kể Như vậy độ rộng của ĐCPBCĐ của vạch nhiễu x từ mẫu chuẩn là độ rộng dụng cụ Giới hạn của phương pháp Nguyễn Thị Hà 16 Nhiễu x Tia X - Độ rộng dụng... 0,02Å, do đó hai vạch nhiễu x tương ứng sẽ chồng phủ lên nhau, mức độ chồng phủ tỷ lệ nghịch với giá trị góc 2theta Vì vậy bước bắt buộc và cần Nguyễn Thị Hà 11 Nhiễu x Tia X thiết đầu tiên trước khi khai thác giản đồ niễu x là tách bỏ thành phần Kα 2 Sau đó tiến hành trừ tín hiệu nền và làm trơn đường thực nghiêm 1.3.4 Điều kiện thực nghiệm Hiện nay, các hãng sản xuất nhiễu x kế tia X , các công ty... Do vậy, phương pháp nhiễu x tia X mẫu bột được ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu khoa học vật liệu, là một trong những phép đo đầu tiên để khảo sát và đánh giá chất lượng mẫu vật liệu Nguyễn Thị Hà 12 Nhiễu x Tia X PHẦN 2: BÀI TẬP Bài tập 1: rrr a Ta chọn hệ trục tọa độ Oxyz và các vectơ cơ sở , b, c như trên hình vẽ Ở hình 2.1a, ta thấy rằng mặt phẳng được đánh dấu song song với hai trục Ox, Oy nên... Các yếu tố ảnh hưởng đến phương pháp Trong biểu thức Scherrer , kích thước hạt D tỉ lệ nghịch với độ rộng β và cos θ ở mẫu số, nên muốn giá trị của D chính x c cần sử dụng vạch nhiễu x tương ứng với góc θ bé Yếu tố ảnh hưởng đến phương pháp này là sự nhòa rộng vạch nhiễu x do hai nguyên nhân: - Trạng thái cấu trúc: kích thước ~ 2 -30nm; ứng suất dư tế vi và khuyết tật sắp x p trong mạng tinh thể ... sở, x c định định hướng tinh thể) Các phương pháp x c định cấu trúc tinh thể gồm có phương pháp Laue (1879 - 1960), phương pháp quay đơn tinh thể, nhiễu x kế tia X Nhiễu x kế tia X thiết bị x c... liệu x y hiệu ứng sau: - Hiệu ứng tán x : tia tới thay đổi phương truyền không thay đổi lượng gọi tán x đàn hồi Rayleigh  Nhiễu x tia X, tia tới thay đổi phương truyền lượng gọi tán x không... khiển đo tự động, nhanh chóng x c x lý số liệu Hình 1.5 sơ đồ nguyên lý nhiễu x kế tia X Nhiễu x kế tia X gồm bốn khối bản, ống phát tia X, nguồn điện dùng cho ống tia X, bàn đo góc, ống đếm thiết