Nhiễu xạ tia X là một trong những phương phỏp phổ biến nhất trong đặc
trưng tớnh chất của vật liệu rắn (tinh thể và vụ định hỡnh). Trong mạng tinh thể,
cỏc đơn vị cấu trỳc tạo thành những họ mặt (hlk) khỏc nhau, cỏc mặt phẳng này cú thể phản xạ tia X giống như tia sỏng phản xạ bởi gương phẳng [5,83]. Khi chiếu một chựm tia X vào tinh thể, điện từ trường của tia X sẽ tương tỏc với cỏc nguyờn tử nằm trong mạng tinh thể và làm xuất hiện cỏc tia X thứ cấp, một số trong cỏc tia X thứ cấp này cú bước súng bằng nhau nờn chỳng cú thể giao thoa
với nhau theo cỏch làm tăng cường độ. Giả sử cú hai mặt phẳng (hlk) liờn tiếp nằm cỏch nhau một khoảng dhkl. Chựm tia X (đơn sắc) gồm cỏc tia song song được chiếu lờn tinh thể tạo với cỏc mặt này một gúc θ. Giả sử hai tia cú cựng
bước súng, theo Bragg [5] chỳng sẽ giao thoa khi thỏa món phương trỡnh: 2dsinθ = nλ (2.1) Trong đú: , lần lượt là gúc nhiễu xạ và bước súng của tia X, d là khoảng
cỏch giữa 2 mặt cựng loại gần nhất trong tế bào cơ sở.
Sử dụng thiết bị để ghi nhận tớn hiệu về hướng và cường độ tia nhiễu xạ, cú thể xỏc định được cỏc thụng số của mạng tinh thể cũng như tọa độ cỏc nguyờn tử trong khụng gian tinh thể. Sơ đồ mụ tả quang trỡnh của tia tới và tia phản xạ trong
nhiễu xạ tia X được trỡnh bày trong Hỡnh 2.1.
Kỹ thuật nhiễu xạ tia X được sử dụng phổ biến nhất là phương phỏp bột.
Mẫu được tạo thành bột với mục đớch nhiều tinh thể cú định hướng ngẫu nhiờn để chắc chắn rằng một số lớn hạt cú định hướng thỏa món điều kiện nhiễu xạ
Bragg. Kết quả phõn tớch định tớnh và định lượng bằng tia X cho biết cấu trỳc và
thụng số mạng cho từng pha, biết được mẫu gồm cỏc hợp chất húa học nào, cựng một hợp chất cú mấy loại cấu trỳc tinh thể, tỉ lệ giữa cỏc pha và cỏc dạng cấu trỳc. Chớnh vỡ vậy, phương phỏp này được sử dụng rộng rói để nghiờn cứu thành phần, cấu trỳc tinh thể của vật liệu.
Hiện nay, nhờ cỏc số liệu chuẩn chi tiết (khoảng cỏch giữa cỏc mặt phẳng d,
cường độ tương đối, chỉ số Miller của mặt phẳng, số nguyờn tử hay phõn tử trong
Hỡnh 2.1. Sơ đồ mụ tả quang trỡnh của tia X tới và tia phản xạ trờn tinh thể
d
Hỡnh 2.2. Độ tự của pic phản xạ gõy ra do kớch thước hạt
ụ cơ bản…) của vật chất được lưu trữ trong cỏc file cú thể xử lớ trực tiếp và cho ngay kết quả [5]. Dựa vào vị trớ của gúc phản xạ , độ rộng bỏn phổ 1, bước súng của tia X, Scherrer [42] đưa ra phương trỡnh tớnh kớch thước hạt như sau:
1 os K Dc 1 os K D c (2.2) Trong đú: K = 0,9; D là kớch thước hạt
Hỡnh 2.2 minh họa mụ hỡnh của hạt, độ rộng bỏn phổ và độ tự của pic gõy ra do kớch thước hạt. Đõy là phương phỏp rất phổ biến để tớnh kớch thước hạt nano kim loại hay oxit kim loại.
Đối với vật liệu MQTB silica, nhiễu xạ tia X gúc lớn từ 10 đến 70 độ
thường khụng cú cực đại nhiễu xạ hoặc rất khú quan sỏt do hệ vật liệu này cú tường mao quản vụ định hỡnh, cỏc nguyờn tử hoặc nhúm nguyờn tử sắp xếp khụng trật tự. Trong khi đú, hệ thống MQTB sắp xếp theo một cỏch trật tự và cú quy luật riờng, người ta gọi đõy là cấu trỳc giả tinh thể. Khi nghiờn cứu bằng
XRD gúc nhỏ, chựm tia X thứ cấp sau khi qua vật liệu này thỏa món phương trỡnh
Bragg và cộng hưởng với nhau tạo thành cực đại nhiễu xạ. Hằng số mạng của cỏc vật liệu khỏc nhau nờn mỗi loại vật liệu thường cú một vị trớ gúc nhiễu xạ khỏc nhau. Cấu trỳc lục lăng của vật liệu MCM-41, vị trớ của gúc nhiễu xạ ước chừng 1,2 đến 1,6 độ [48,70], cũng với cấu trỳc lục lăng nhưng vật liệu SBA-15 vị trớ gúc nhiễu xạ lại ở khoảng từ 0,95 đến 1,1 độ [65,79]. Trong khi đú, vật liệu SBA-16 thỡ gúc nhiễu xạ nằm trong khoảng từ 0,71 đến 0,85 độ [48], nhỏ hơn so với cỏc vật liệu MQTB kể trờn nờn cú hằng số mạng lớn hơn.
Trong tinh thể học, người ta đưa ra khỏi niệm mật độ nguyờn tử hay phõn tử mặt, được định nghĩa bằng số nguyờn tử hay phõn tử/một đơn vị diện tớch mặt tinh thể. Mở rộng khỏi niệm này thành mật độ mao quản riờng chớnh bằng số mao quản/1 đơn vị diện tớch mặt tinh thể mao quản. Bằng cỏc nghiờn cứu chi tiết
thụng qua XRD gúc nhỏ về cấu trỳc tinh thể, người ta đó chứng minh cỏc mặt
nhiễu xạ của vật liệu SBA-16 tương ứng với cỏc mặt cú chỉ số Miller xuất hiện theo thứ tự (110); (310) ; (200); (220) và (211) [48]. Tớnh toỏn bằng hỡnh học cũng cho thấy mật độ mao quản riờng của cỏc mặt này giảm theo thứ tự 1,41/ 2 ; o a 1,36/ 2 ; o a 1,00/ 2 ; o a 0,94/ 2 ; o a 0,46/ 2 ; o
a với ao là đơn vị tế bào cơ sở. Vỡ vậy,
trong giản đồ XRD của SBA-16 thường chỉ xuất hiện pic cú mật độ mao quản
riờng lớn của mặt (110). Trong điều kiện đo với tốc độ rất chậm (0,001 độ/phỳt) hay quột nhiều lần thỡ mới cú thể quan sỏt được cỏc pic cú mật độ mao quản nhỏ hơn như (310), (200), (220), (211) và cường độ nhiễu xạ của cỏc mặt này phụ thuộc rất nhiều vào kớch thước và độ trật tự của mao quản.
Trong nghiờn cứu này, nhiễu xạ tia X được ghi trờn thiết bị D8-Advance Bruker (Đức) tại khoa Húa, ĐH Quốc Gia Hà Nội (ĐHQG). Tia phỏt xạ CuKα cú
bước súng λ = 0,15406 nm, cụng suất 40 KV, 40 mA, gúc quột từ 0,5o – 10o.