Phương pháp này cho phép xác định pha cấu trúc, phân tích định tính, định lượng các pha tinh thể.
Các hạt vi mô có lưỡng tính sóng-hạt, chúng vừa là hạt nhưng cũng vừa là sóng. Hiện tượng các hạt vi mô bị tinh thể làm nhiễu xạ là do bản chất sóng của chúng. Có hai quan niệm về hiện tượng nhiễu xạ: i) Hiện tượng phản xạ của các sóng điện từ từ các mặt phẳng song song của một họ mặt phẳng của tinh thể, trong đó có xảy ra hiện tượng giao thoa giữa các sóng phản xạ; ii) Hiện tượng tán xạ đàn hổi (sau tán xạ bước sóng không thay đổi): Các sóng tán xạ từ các điểm khác nhau của tinh thể, thoả mãn các điều kiện giao thoa và tăng cường lẫn nhau. Bản chất vật lý của hiện tượng nhiễu xạ tia X liên quan đến cấu trúc tinh thể
được thể hiện bởi định luật Bragg. Tia X có bước sóng vào cỡ khoảng cách các nút lân cận trong mạng Bravais. Do đó khi chiếu tia X vào mạng tinh thể sẽ có hiện tượng nhiễu xạ. Phân tích các ảnh nhiễu xạ ta có thể thu được thông tin về cấu trúc của mạng tinh thể. Năm 1913 Willam L. Bragg đã xây dựng lý thuyết nhiễu xạ tia X. Xét sự phản xạ của một chùm tia X trên hai mặt phẳng mạng song song và gần nhau nhất có khoảng cách d (hình 2.7):
Hình 2.7 Mô hình minh họa của định luật nhiễu xạ Bragg
Tia X có năng lượng cao nên có khả năng xuyên sâu vào trong lòng vật liệu, gây ra phản xạ trên nhiều mặt mạng tinh thể (hkl) ở sâu phía dưới. Mỗi một mặt phẳng trong họ mặt mạng tinh thể (hkl) có chùm tia phản xạ riêng. Từ hình 2.7 ta thấy hiệu quang trình giữa hai phản xạ từ hai mặt phẳng liên tiếp bằng 2dsin. Hiện tượng giao thoa giữa các sóng phản xạ chỉ xảy ra khi hiệu đường đi của hai sóng bằng số nguyên lần bước sóng. Điều kiện để có hiện tượng nhiễu xạ được viết dưới dạng:
2dsin= n (*)
Đó là phương trình Bragg; trong đó: d - khoảng cách giữa hai mặt phẳng kế tiếp trong họ các mặt phẳng tinh thể (hkl). q - góc giữa tia tới (hoặc tia phản xạ) với mặt phản xạ, n - bậc phản xạ, chỉ nhận các giá trị nguyên, dương và l là bước sóng của tia tới. Biểu thức (*) đúng với nhiễu xạ điện tử, nhiễu xạ nơtron. Những nhận xét rút ra từ định luật Bragg:
- Định luật Bragg là hệ quả tất yếu của đặc trưng cơ bản của tinh thể: trật tự, tuần hoàn vô hạn, và không thể hiện bản chất hoá học của các nguyên tử trên mặt phẳng phản xạ.
- Vì hàm sin chỉ nhận các giá trị 0 < sin < 1 nên phương trình Bragg chỉ có nghiệm khi< 2d. Tức là hiện tượng nhiễu xạ tia X với mạng tinh thể chỉ có thể xảy ra khi bước sóng của tia X sơ cấp cùng bậc với khoảng cách giữa các nguyên tử trong mạng tinh thể.
- Trong vật liệu bột tinh thể, các họ mặt phẳng (hkl) với nhiều dhkl phân bố ngẫu nhiên, để thu nhận tất cả các cực đại nhiễu xạ ta phải chiếu lên mẫu bột chùm tia X đơn sắc (khổng đổi), thay đổi góc chiếu quay đầu thu đồng bộ với quay mẫu đến những vị trí thoả mãn phương trình Bragg (*) ta sẽ thu nhận được các cực đại nhiễu xạ. Các nhiễu xạ kế được chế tạo dựa trên nguyên lý này. Trường hợp chiếu lên mẫu đơn tinh thể chùm tia X đa sắc ( thay đổi), góc chiếu không đổi ta sẽ có ảnh nhiễu xạ Laue.
Đây là một phương pháp có nhiều ưu điểm như mẫu không bị phá hủy, đồng thời phép đo chỉ cần một lượng nhỏ để phân tích là biết được cấu tạo của vật liệu, mặt khác nó cung cấp những thông tin về kích thước tinh thể.
Trong luận văn này, phép đo cấu trúc vật liệu được thực hiện trên thiết bị nhiễu xạ tia X Equinox 5000 do hãng SIEMENS, CHLB Đức sản xuất thuộc phòng thí nghiệm trọng điểm, Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
Hình 2.8 Thiết bị đo nhiễu xạ tia X thuộc Viện Khoa học vật liệu