DRS)
* Nguyên tắc:
Khi dòng ánh sáng va đập vào mẫu rắn có hai loại phản xạ xảy ra: phản xạ gƣơng và phản xạ khuếch tán. Phản xạ gƣơng (specular reflectance) liên quan đến quá trình phản xạ của dòng tia tới và tia phản xạ có cùng góc (nhƣ gƣơng phẳng). Phản xạ khuếch tán (diffuse reflection) liên quan đến dòng tia
tới phản xạ theo tất cả mọi hƣớng. Phổ phản xạ khuếch tán nằm ở vùng khả kiến hay vùng tử ngoại còn gọi là phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại khả kiến (từ đây gọi là phổ UV-Vis-DRS). Đối với vật liệu hấp thụ ánh sáng khi dòng tia tới có cƣờng độ (Io) chiếu vào, vật liệu hấp thụ đi qua một lớp mỏng có độ dày là x, với hệ số hấp phụ KT. Cƣờng độ (I) của tia ló đƣợc tính theo định luật định luật hấp phụ Lambert đã biết: T -K x 0 I = I e (2.3)
Khi kích thƣớc của hạt nhỏ hơn tiết diện ngang của dòng tia tới nhƣng lớn hơn tƣơng đối độ dài bƣớc sóng, hiện tƣợng nhiễu xạ cũng xảy ra bởi vì có sự giao thoa với các bƣớc sóng khác. Trong vật liệu bột, các hạt có kích thƣớc nhƣ vậy định hƣớng ngẫu nhiên theo các hƣớng khác nhau, một phần của ánh sáng tia tới sẽ đi trở lại bán cầu chứa nguồn tia sáng. Hiện tƣợng phát sinh từ sự phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ và hấp thụ bởi các hạt định hƣớng một cách ngẫu nhiên đƣợc gọi phản xạ khuếch tán, n g ƣ ợ c với phản xạ g ƣ ơ n g trên bề mặt biên hạt. Đối với trƣờng hợp phản xạ khuếch tán lý tƣởng, sự phân bố góc (angular distribution) của tia phản xạ phụ thuộc vào góc tia tới và tuân theo định luật Lambert Cosine (Lambert Cosine Law). Định luật này phát biểu rằng sự giảm tia bức xạ trên một đơn vị bề mặt là tỉ lệ với cosine của tia tới i và cosine của tia ló e. Nếu kích thƣớc của hạt tƣơng tự hay nhỏ hơn bƣớc sóng thì sự đóng góp của sự phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ vào cƣờng độ và phân bố góc của tia ló là tƣơng đƣơng và không thể tách ra đƣợc. Hiện tƣợng này đƣợc gọi là hiện tƣợng tán xạ (scatttering). Năm 1931, Kubelka và Munk đã đƣa ra một phƣơng trình gọi là hàm Kubelka- Munk nhƣ sau [30]: 2 (1 - R ) K = = F(R ) S 2R (2.4)
Trong đó K và S là các hệ số đặc trƣng cho sự hấp thụ và tán xạ trên một đơn vị độ dày của mẫu. R sẽ thay đổi khi độ dày của mẫu thay đổi, giá trị R∞ là giá trị R đạt đƣợc khi độ dày mẫu thay đổi mà R không thay đổi.
Phổ UV-Vis-DRS có thể áp dụng để phân tích định lƣợng qua phƣơng trình Duncan, một dẫn xuất của hàm Kubleka-Munk theo phƣơng trình: 2 i i M M M i i C K (1 - R ) F(R ) = = 2R C S (2.5)
Trong đó, chỉ số M chỉ hỗn hợp; RM là R∞ của hỗn hợp, Ci là phần khối lƣợng của cấu tử i với hệ số hấp thụ Ki và khuếch tán Si.
Một số dạng liên kết của kim loại chuyển tiếp trong một số oxit có thể đƣợc đặc trƣng bằng các giải hấp thụ trong phổ hấp thụ hay phổ hàm K-M. Phổ hấp thụ trong vùng UV hay khả kiến là do sự chuyển dịch điện tử ở orbitan d của các ion kim loại chuyển tiếp đến các phối tử xung quanh. Ngoài ra, sự hấp thụ ánh sáng liên quan đến năng lƣợng vùng cấm, do đó phổ UV-vis-DRS có thể dùng để tính toán năng lƣợng vùng cấm. Trong phổ này điểm uốn giữa phần truyền qua (transmistance) và hấp thụ cao đƣợc xác định. Bƣớc sóng tƣơng ứng với điểm uốn này gọi là gờ hấp thụ (absorption edge). Năng lƣợng vùng cấm Eg, tính theo phƣơng trình Planck [2]:
g
h.c E =
λ (2.6)
Để xác định chính xác, năng lƣợng vùng cấm cần phải xác định bƣớc sóng ở điểm uốn này. Điểm uốn này có thể đƣợc xác định bằng chuyển số liệu hấp thụ qua hàm K-M. Prabakar và cộng sự đã đề nghị phƣơng pháp tính năng lƣợng vùng cấm thông qua hệ số hấp thụ α.
1 α = lnT
L (2.7)
Trong đó, L là chiều dày của mẫu đo, T là độ truyền qua đƣợc tính từ phổ UV-Vis-DRS. (αhv) = C(hv-E )g n (2.8) 2 i i M M M i i C K (1-R ) F(R ) = = 2R C S (2.9) h là hằng số Planck, C là hằng số, Eg là năng lƣợng vùng cấm và ν là tần số kích thích. Vẽ đồ thị (αhν)2 theo hν. Đƣờng thẳng tuyến tính đi qua điểm uốn của đƣờng cong này cắt trục hoành. Giá trị hoành độ ở điểm cắt chính bằng năng lƣợng vùng cấm.
* Thực nghiệm:
Phổ UV-Vis-DRS đƣợc đo trên máy GBC Instrument – 2885, bƣớc sóng từ 200 đến 800 nm.
Mẫu đƣợc đo tại khoa Vật lý, Trƣờng Đại học Sƣ phạm Hà Nội.