3.3.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X - XRD (X ray diffraction)
Thiết bị thực hiện phép đo chúng tôi dùng là SIEMENS D - 500 đặt tại Phòng phân tích cấu trúc tia X thuộc Viện Khoa học Vật liệu, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam. số liệu thu được từ hệ đo cho ta giản đồ nhiễu xạ tia X. Từ giản đồ này ta biết được các đặc điểm về cấu trúc của vật liệu. Các mẫu trước khi phân tích nhiễu xạ tia X được cắt dạng hình chữ nhật, với chiều rộng từ 2 - 3 mm, dài 15- 18 mm và được làm sạch bằng dung dịch Ethanol trong 20 phút trên máy rung siêu âm. Sau đó mẫu được dán trên đế thủy tinh bằng băng dính 2 mặt và được gắn vào máy để phân tích.
Cấu trúc tinh thể của mẫu đã được nghiên cứu bằng phương pháp nhiễu xạ tia X được thực hiện tại Viện Khoa học Vật liệu - Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của phương pháp này được minh họa trên hình 3.5
Hình 3.5. Sơ đổ minh họa nguyên lý hoạt động của phương pháp đo nhiễu xạ tia X.
Nguyên lý của phương pháp nhiễu xạ tia X dựa trên định luật phản xạ Bragg, được W.L. Bragg thiết lập năm 1913, thể hiện mối quan hệ giữa bước sóng X của tia X và khoảng cách d giữa các mặt phang nguyên tử theo công thức:
Nhiễu xạ kế tia X bao gồm ba bộ phận cơ bản: nguồn tia X, mẫu và bộ thu nhận tia X (detector). Các bộ phận này nằm trên chu vi của vòng tròn tiêu tụ. Góc giữa phương chiếu tia X và tia nhiễu xạ là 20. Nguồn tia X có thể giữ cố định còn detector chuyển động suốt thang đo góc.
Khi đo, tia X đơn sắc được chiếu tới mẫu và cường độ tia nhiễu xạ được thu bằng detector. Mầu được quay với tốc độ 0 trong khi detector quay với tốc độ 20. Cường độ tia nhiễu xạ theo góc 20 được tự động ghi lại dưới dạng dữ liệu số để xử lý bằng máy tính. Vì lý do đó nên giản đồ nhiễu xạ được tạo thành theo hình học này thường được gọi là giản đồ quét 0 - 20. Bằng việc so sánh giản đồ nhiễu xạ thu được với thư viện cơ sở dữ liệu, người ta có thể xác định cấu trúc tinh thể của vật liệu. Ngoài ra từ định luật Bragg có thể thấy rằng căn cứ theo vị trị các đỉnh nhiễu xạ trên giản đồ X - ray có thể suy ra các hằng số mạng tinh thể.
Từ các giản đồ nhiễu xạ tia X ta có thể đánh giá được các mẫu có ở trạng thái vô định hình hay không và tỷ phần thể tích pha của các mẫu đã được xử lý nhiệt tạo cấu trúc nanô.
3.3.2. Phương pháp phân tích hiển vỉ điện tử quét và phương pháp tán sắc năng lượng tỉa X (EDX)
HITACHI S-4800 của phòng thí nghiệm trọng điểm thuộc Viện Khoa học Vật liệu, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
Trong hiển vi điện tử mẫu bị bắn phá bằng chùm tia điện tử có độ hội tụ cao. Nếu mẫu đủ dày, dẫn đến sau khỉ tương tác với bề mặt mẫu, các sản phẩm tương tác (các điện tử thứ cấp) sẽ đi theo một hướng khác ra khỏi bề mặt mẫu.
Các điện tử thứ cấp này được thu nhận, phân tích và chuyển đổi thành hình ảnh (SEM) và thành phần các nguyên tố cố trong mẫu (EDX) .
Hình 3.6. Sơ đồ nguyên lý kính hiển vi điện tử quét SEM
Anét
_ . Crsd.»der?ky tufc^(syncíirorưzai with Bộ pllận qué t scanning cal)
a- 0*0 DiỊlí.il Jj Jt3í ĨLẹ «áỊli.. í Elpcti-ondetptiar (scintiil-alơr) C-atốt phát xạ điện Thầu kinh điện tử stage Điện tử vthủ f RT
tín hiệu sẽ phát ra tù mỗi đỉểm được quét qua. Tín hiệu này được detecter thu nhận và biến đổi thành tín hiệu được khuyếch đại và đưa đến điều khiển tia điện tử của ổng hiển thị catôt, nghĩa là điều khiển sự sáng tối của điểm được quét tương ứng ở trên mẫu. Do đó điểm ở trên ống hiển thị catôt tương ứng với điểm được quét trên mẫu và toàn bộ diện tíchđược quét sẽ tạo ra ảnh trên màn ống hiển thị catôt. Năng lượng của các điện tử thứ cấp sẽ đặc trưng cho các chất khác nhau. Xác định năng lượng của các điện tử thứ cấp cho phép xác định hàm lượng các chất có trong mẫu.
SEM cũng được dùng để thu nhận các thông tin thành phần hóa học của mẫu. Sự phát triển của công cụ phân tích thành phần luôn đi cùng với thời gian phát triển của SEM. Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) là thiết bị phân tích đi kèm với SEM dùng chùm điện tử tác động vào mẫu và thu nhận các tia X đặc trưng phát ra. Các đầu thu tia X thuộc loại đầu thu Si hoặc Li ở trạng thái rắn. EDX hiện đại có khả năng phát hiện các tia X đặc trưng cho các nguyên tố có nguyên tử số > 5. Hệ EDX không chỉ cho phép phân tích định tính nhanh mà còn cho phép phân tích định lượng. Trong một thiết bị SEM điển hình có EDX thì EDX được dùng để đo các tia X từ các nguyên tố chính (> 10% trọng lượng) trong mẫu. Mầu phân tích không cần phá hủy, phân tích định lượng có thể thực hiện với độ phân giải cỡ lớn trên mẫu.Với các mẫu được mài phang và đánh bóng độ chính xác đạt được cỡ 1 -2% lượng nguyên tố đã cho (với các vật liệu sinh học là 5 - 10%). Một đặc điểm quan trọng khác của SEM có EDX là xác định bản đồ thành phần (mapping) từ tia X đặc trưng. Thông thường độ phóng đại < 2500 được dùng trong kiểu phân tích này. Kết quả phân tích bản đồ cho thông tin thành phần chi tiết ở mức micro thường liên quan trực tiếp vói kết quả khảo sát kim tương trên kính hiển vi quang học. Thêm vào đó các tín hiệu có thể có từ SEM chuẩn (BSE, SE, vv) có thể cung cấp thông tin hữu ích về thành phần bề mặt và không gian trong các vùng nhỏ của mẫu. Gần đây, các thiết bị được phát triển cho phép phân tích đáng tin cậy bằng
học của mẫu đo một cách liên tục như là những hàm của nhiệt. Trên cơ sở lý thuyết về nhiệt động học, từ sự thay đổi các tính chất đó ta có thể xác định được các thông số yêu cầu của việc phân tích. Chúng tôi sử dụng phương pháp phân tích quét nhiệt vi sai để phân tích nhiệt độ kết tinh của họp kim. Thiết bị chúng tôi sử dụng là hệ Labsys TG/DSC thuộc khoa Hoá, Đại học Quốc gia Hà Nội.
Kỹ thuật phân tích nhiệt dựa trên nguyên lý về nhiệt động học. Khi có độ chênh lệch về độ lớn, nhiệt độ sẽ chuyển từ nơi này sang nơi khác và khi đó làm cho các đại lượng vật lý khác như năng lượng chuyển pha, độ nhớt, entropy, ... cũng thay đổi.
*Mối quan hê giữa nhiêt đô và nhiêt lương: AT =
mC
Trong đó c là nhiệt dung phụ thuộc vào bản chất khối vật liệu, m là khối lượng mẫu đo.
* Entropy là một đại lượng gắn bó chặt chẽ với năng lượng và nhiệt độ của hệ trong các quá trình thay đối trạng thái.
* Vật chất thường tồn tại ở ba trạng thái: Rắn, lỏng, khí.
Trong đó hiện tượng chuyển pha là hiện tượng rất quan trọng.■ — VVVỊVVV-
Single
Temperature
(
Hình 3.7. a) là sơ đồ cung cung cấp nhiệt của DSC loại thông lượng nhiệt; b) là loại bo chính công suất.
xung vào mẫu hay có thể mất đi từ mẫu, ta sẽ xác định năng lượng đó thông qua tính diện tích giới hạn bởi đồ thị mà ta thu được.
Phưong pháp DSC cho ta thông tin về sự chuyển pha của vật chất.
Khi xuất hiện sự chuyển pha trên mẫu, năng lượng sẽ được thêm vào hoặc mất đi trong mẫu đo hoặc mẫu chuẩn, để duy trì nhiệt độ ở mẫu đo và mẫu chuẩn bằng nhau. Năng lượng cân bằng này được ghi lại và cho kết quả đo trực tiếp của năng lượng chuyển pha.
Ta thấy loại thông lượng nhiệt có một lò nhiệt còn loại bổ chính công suất có hai lò nhiệt. Với hai lò nhiệt như vậy ta có thể đo trực tiếp công suất của các lò, và từ đó suy ra độ chênh lệch về công suất, còn với một lò nhiệt thì ta lại dựa vào nhiệt độ.
Khi đặt mẫu vào vị trí lò, tăng dần nhiệt độ của các lò, ta dùng một detector vi sai công suất để đo sự khác nhau về công suất của các lò. Tín hiệu được khuếch đại và chuyển lên bộ phận ghi dữ liệu.
Trong phép phân tích DSC đường cong thu được thường thay đổi xung quanh trục nhiệt độ, và xuất hiện các đỉnh thu nhiệt và toả nhiệt ứng với các quá trình chuyển pha của mẫu.
Nguyên lý hoạt động: Hệ đo sử dụng máy phát thạch anh để phát dao động tại các tần số 4, 6, 10MHz. Dao động cao tần được dùng để tạo ra dòng điện xoay chiều có biên độ I định trước và tần số tương ứng. Dòng điện này tác động lên mẫu đo tạo ra tín hiệu điện áp U(H) trên mẫu phụ thuộc vào từ trường H của nam châm, từ U(H) ta tính được trở kháng của mẫu Z(H) theo công thức:
Xử lý tín hiệu r (lọc, khuyêch Nam châm• Ạ iên Phát đại, tách sóng) Máy phát dao động thạch Xừ lý tín hiệu một 1 Bộ thu thập dữ liệu đa
Tín hiệu này đi qua xử lý dữ liệu (lọc, khuyếch đại, tách sóng) rồi đi qua khối xử lý tín hiệu một chiều. Tín hiệu ra khối này đi theo hai đuờng, một đuờng tới chỉ thị LED chỉ thị ngay Z(H) và một đuờng qua một kênh của bộ thu thập và xử lý dữ liệu đa kênh PHT 0201 (hình 1.15).
Từ truờng do nam châm tác dụng lên mẫu đuợc máy đo từ truờng sử dụng cảm biến Hall thu thập và đua ra chỉ thị LED và một kênh khác của bộ thu thập và xử lý dữ liệu đa kênh PHT 0201.
CHƯƠNG 4: NGHIÊN cứu CẤU TRÚC, TÍNH CHẮT TỪ VÀ HEỆU ỨNG GMI TRÊN HỆ HỢP KIM Fe73^Cu1Nb3.xZrxB9Si1^
4.1. Nghiên cứu cấu trúc, tính chất từ của hệ hợp kim nano tinh thể F ©73,5 CuiNb3.xZrxB 9SỈ13,5
Hình 4.1.Gỉả« đồ EDX của mẫu N2
Mầu sau khi nấu bằng lò hồ quang, được kiểm tra đánh giá sơ bộ độ hao hụt khối lượng sau khi nấu bằng cách cân rồi so sánh với khối lượng tổng của các nguyên tố hợp phần trước khi nấư. Kết quả cho thấy độ hao hụt trung bình chỉ khoảng 0,1 %. Sự hao hụt này có thể là do vật liệu bị dính một phần vào nồi, còn sự bay hơi của vật liệu được cho là không đáng kể. Tuy nhiên để khẳng định thành phần của hợp kim sau
không đánh giá một cách chính xác thành phần trong hợp kim. Tuy nhiên nếu bỏ qua thành phần B, thì ta thấy các nguyên tố còn lại có sự thay đổi phù hợp vái sự thay đổi của thành phần nguyên tố phối trộn.