Nhƣ chỳng ta đó biết tớnh chất vật lý của một chất đƣợc quy định bởi cấu trỳc tinh
thể của chất đú. Khi nghiờn cứu cấu trỳc tinh thể là một phƣơng phỏp cơ bản để nghiờn cứu cấu trỳc vật chất. Phƣơng phỏp đƣợc sử dụng để nghiờn cứu tớnh chất của vật đú là phƣơng phỏp nhiễu xạ tia X. Phƣơng phỏp này cú ƣu điểm là xỏc định đƣợc cỏc đặc tớnh cấu trỳc, thành phần pha của vật liệu mà khụng phỏ huỷ mẫu và cũng chỉ cần một lƣợng nhỏ để phõn tớch.
Nguyờn lý chung của phƣơng phỏp nhiễu xạ tia X:
Dựng chựm tia X đơn sắc chiếu vào tinh thể khi đú cỏc nguyờn tử bị kớch thớch và trở thành cỏc tõm phỏt súng thứ cấp. Cỏc súng thứ cấp này triệt tiờu với nhau theo một số phƣơng và tăng cƣờng với nhau theo một số phƣơng tạo nờn hỡnh ảnh giao thoa. Hỡnh ảnh này phụ thuộc vào cấu trỳc của tinh thể. Khi nghiờn cứu và phõn tớch hỡnh ảnh đú ta cú thể biết đƣợc cỏch sắp xếp cỏc nguyờn tử trong ụ mạng. Từ đú
θ d
Hỡnh 2.5.1: Hiện tượng nhiễu xạ tia X trờn tinh thể.
32
ta cú thể xỏc định đƣợc cấu trỳc mạng tinh thể, cỏc pha cấu trỳc trong vật liệu, cấu trỳc ụ mạng cơ sở…
Nguyờn tắc của phƣơng phỏp nhiễu xạ tia X dựa trờn định luật nhiễu xạ Laue và điều kiện nhiễu xạ Bragg. Ta xem mạng tinh thể là tập hợp của cỏc mặt phẳng song song cỏch nhau một khoảng d. Khi chiếu tia X vào bề mặt, do tia X cú khả năng đõm xuyờn mạnh nờn khụng chỉ những nguyờn tử bề mặt mà cả những nguyờn tử bờn trong cũng tham gia vào quỏ trỡnh tỏn xạ. Để xảy ra hiện tƣợng nhiễu xạ thỡ cỏc súng phải thoả món điều kiện Laue: gúc giữa mặt phẳng nhiễu xạ với tia tới và tia nhiễu xạ là bằng nhau; phƣơng của tia tới, tia nhiễu xạ và phỏp tuyến của mặt phẳng nhiễu xạ là đồng phẳng; súng tỏn xạ của cỏc nguyờn tử theo phƣơng tỏn xạ là đồng pha.
Điều kiện để cú cực đại giao thoa đƣợc xỏc định theo cụng thức Bragg:
2d.sin = nλ (2.1)
Trong đú:
- dhkl là khoảng cỏch giữa cỏc mặt phẳng phản xạ liờn tiếp (mặt phẳng mạng tinh thể) cú cỏc chỉ số Miller (hkl); n = 1, 2, 3… là bậc phản xạ.
- θ là gúc tới của chựm tia X . Tập hợp cỏc cực đại nhiễu xạ với cỏc gúc 2θ khỏc nhau cú thể ghi nhận bằng cỏch sử dụng phim hay detector. Đối với mỗi loại vật liệu khỏc nhau thỡ phổ nhiễu xạ cú những đỉnh tƣơng ứng với cỏc giỏ trị d, θ khỏc
nhau đặc trƣng cho loại vật liệu đú.
Đối chiếu phổ nhiễu xạ tia X (gúc 2θ của cỏc cực đại nhiễu xạ, khoảng cỏch d của cỏc mặt phẳng nguyờn tử) với dữ liệu nhiễu xạ chuẩn ta cú thể xỏc định đƣợc cấu trỳc tinh thể (kiểu ụ mạng, hằng số mạng…) và thành phần pha của loại vật liệu đú.
Từ số liệu phổ nhiễu xạ tia X, ta cũng tớnh đƣợc kớch thƣớc hạt nano dựa vào cụng thức Debye – Scherrer : cos 9 , 0 D (2.2) Trong đú:
λ là bƣớc súng của tia X; với anode Cu = 1,54056 Å.
β là độ rộng bỏn cực đại của vạch nhiễu xạ đƣợc xỏc định thụng qua
33
θ là gúc nhiễu xạ đƣợc xỏc định trờn phổ nhiễu xạ tia X.
D là kớch thƣớc trung bỡnh của tinh thể.