Các phương pháp dùng để khảo sát hạt nano từ

1.5.1. Phân tích cấu trúc tinh thể bằng nhiễu xạ tia X – XRD.

Nhiễu xạ tia X dựa trên hiệu ứng tương tác từ tán xạ bởi các vị trí khác nhau của các nguyên tử trong vật liệu. Phương pháp nhiễu xạ tia X là một kỹ thuật quan trọng cho sự nghiên cứu cấu trúc, xác định pha, nhận dạng thành phần và đo lường kích thước trung bình của của nhiều loại vật liệu khác nhau.

Để phát ra tia X, một dòng điện cho qua dây dẫn điện hoặc dây tóc bóng đèn (Sợi đốt vonfram) làm dây dẫn nóng lên, phát ra nhiệt đủ lớn để phát ra electron. Một hiệu điện thế đủ lớn 10-100kV sẽ gia tốc cho các electron tự do này đập vào bia kim loại và phát sinh ra bức xạ tia X.

Khi tia X chiếu vào một mẫu bột, các lớp tinh thể của mẫu hoạt động giống như những tấm gương phản xạ chùm tia X. Sự giao thoa sau đó xuất hiện giữa chùm tia phản xạ, giữa các dòng khác nhau của nguyên tử trong tinh thể. Điều này thể

hiện trong định luật Bragg: n = 2dsin (n=1,2,3..). (6)

Trong đó:  : Bước sóng tia X( A0) ; n : Bậc giao thoa

 : Góc hợp bởi tia tới và mặt phẳng mạng

d: Hằng số mạng (khoảng cách giữa các lớp nguyên tử trong tinh thể) Khi chiếu tia X vào mặt phẳng mạng, sẽ gây hiện tượng nhiễu xạ và sự tán xạ tăng cường lẫn nhau tạo ra tín hiệu đỉnh được thấy như hình 1.9.

Hình 1.9: Sơ đồ nhiễu xạ tia X trong mạng tinh thể.

Sự mở rộng đỉnh của đỉnh thí nghiệm nhiễu xạ có thể cho chúng ta các thông tin về đường kính trung bình của hạt thông qua công thức Scherrer:

d = ( 0.9) / B2cos (7)

Trong đó:  : Góc nhiễu xạ ;  : Bước sóng tia X.

d : Đường kính của hạt ; B2: Độ rộng nửa phổ cực đại.

1.5.2. Từ kế mẫu rung (Vibrating Spicemen Magnetometer – VSM).

Từ kế mẫu rung được dùng để đo lường tính chất từ của vật liệu như một hàm của từ trường, nhiệt độ và thời gian. VSM dựa trên sự dao động của mẫu

19

1.5.2.1. Cấu tạo

Trong các từ kế phổ thông, người ta sử dụng hai cuộn dây thu tín hiệu đối xứng nhau, hai cuộn dây này mắc đối xứng nhau và cuốn ngược chiều trên lõi là một vật liệu từ mềm. Ngoài ra, để tăng độ nhạy cho từ kế, người ta có thể thay cuộn dây thu tín hiệu bằng thiết bị giao thoa kế lượng tử siêu dẫn (superconducting quantum interference device - SQUID), là một tiếp xúc chui hầm Josephson có thể đo các lượng tử từ thông, do đó độ nhạy của thiết bị được tăng lên rất nhiều.

Nam châm điện trong từ kế cũng là một bộ phận rất quan trọng, để tạo ra từ trường từ hoá vật liệu cần đo. Nếu nam châm điện là cuộn dây tạo từ trường bằng dòng điện một chiều ổn định, thì từ trường tạo ra là một chiều ổn định, thường không lớn, chỉ sử dụng từ trường cực đại khoảng 3 T. Bên cạnh đó, có thể tạo ra từ trường lớn bằng cách sử dụng từ trường xung, tức là dùng một dòng điện cực lớn dạng xung phóng qua cuộn dây, có thể tạo ra rừ trường lớn đến hàng chục Tesla trong thời gian cực ngắn.

Hình 1.10: Từ kế mẫu rung. Hình 1.11: Mô hình từ kế mẫu rung.

1.5.2.2. Nguyên tắc hoạt động

Từ kế mẫu rung hoạt động theo nguyên tắc cảm ứng điện từ, sức điện động sinh ra bởi mẫu sắt từ khi chúng dao động với tần số không đổi, dưới

sự có mặt của từ trường không đổi và đồng nhất.

Mẫu đo được gắn vào một thanh rung không có từ tính, được đặt vào một vùng từ trường đều tạo bởi hai cực của nam châm điện. Khi ta rung mẫu với một tần số nhất định, từ thông xuyên qua cuộn dây thu tín hiệu sẽ biến thiên và sinh ra suất điện động cảm ứng V có giá trị tỉ lệ thuận với độ từ hoá M của mẫu theo qui luật:

V ~ 4nSmM

Trong đó: M : Mômen từ của mẫu đo ; Sm: Tiết diện vòng dây.

N : Số vòng dây của cuộn dây thu tín hiệu. Từ đó ta xác định được độ từ hoá M của mẫu đo.

1.5.3. Kính hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electron Microscope – TEM). – TEM).

Kính hiển vi điện tử truyền qua TEM là một công cụ thiết yếu để phân tích một cách trực quan các vật liệu nano. TEM có khả năng quan sát các cấu trúc và hình dạng của mẫu, bởi vì bước sóng của chùm tia electron này có thể điều chỉnh đến

vài trăm amstrong. Bước sóng của chùm tia electron là , nó là một hàm của điện thế

được biểu diễn như phương trình:

 12 0 6 0(1 0,9788 10 U ) U 1,226 λ     . (8)

Ở đó U0 là điện thế của chùm tia electron

1.5.3.1. Cấu tạo

Súng điện tử để tạo ra chùm tia electron đơn sắc; các thấu kính điện từ dùng để hội tụ các electron thành chùm hẹp; bàn đặt mẫu; vật kính là thấu kính điện từ dùng để hội tụ chùm electron truyền qua mẫu; lỗ mở khẩu độ để chọn diện tích và tăng độ tương phản của ảnh; một số thấu kính trung gian dùng để phóng đại ảnh.

Hình 1.12: Sơ đồ cấu tạo của kính hiển vi điện tử truyền qua.

1.5.3.2. Nguyên tắc hoạt động

Kính hiển vi điện tử truyền qua TEM hoạt động dựa trên nguyên lý tương tự như kính hiển vi quang học. Nguồn chiếu sáng trong TEM là chùm các electron có năng lượng cao được phát ra từ súng điện tử. Các chùm electron này sẽ di chuyển xuyên qua thân máy được hút chân không và tập trung chùm tia rất hẹp nhờ vào các thấu kính điện từ và chiếu xuyên qua mẫu vật rắn mỏng. Ở đây chúng được hội tụ lại nhờ các vật kính là thấu kính điện từ, sau đó ảnh được phóng đại qua một số thấu kính từ trung gian với độ phóng đại lớn (có thể tới hàng triệu lần), ảnh có thể tạo ra trên màn huỳnh quang, hay trên film quang học, hay ghi nhận bằng các máy chụp

21

dụng và mạnh mẽ cho đặc trưng của các hạt nano. Độ phân giải TEM có thể cung cấp thông tin và kích thước và hình dạng của mẫu.

 Ưu, khuyết điểm của TEM:

TEM có thể tạo ra ảnh cấu trúc vật rắn với độ tương phản, độ phân giải rất cao và thấy được cấu trúc bên trong vật rắn, đồng thời rất dễ dàng tạo ra các hình ảnh ở độ phân giải tới cấp độ nguyên tử.

Khuyết điểm lớn nhất của TEM là mẫu nghiên cứu phải đủ mỏng để chùm điện tử có thể xuyên qua mẫu. Vì vậy cần phải có những cách xử lý thích hợp để không phá huỷ cấu trúc mẫu. Hơn nữa, kính hiển vi điện tử truyền qua chỉ hoạt động được ở chế độ chân không cao, sử dụng điện áp rất lớn do sử dụng chùm điện tử năng lượng cao và việc điều khiển rất phức tạp.

1.5.4. Phổ UV – VIS.

Khi phân tử tiếp nhận năng lượng từ bên ngoài các phân tử sẽ chuyển từ trạng thái cơ bản sang trạng thái bị kích thích. Do đó các điện tử từ mức năng lượng thấp chuyển lên mức năng lượng cao hơn, trường hợp này ta gọi trong phân tử đã xảy ra bước chuyển năng lượng điện tử.

Theo quy tắc lọc lựa trong phổ điện tử khi phân tử nhận một năng lượng xác định có thể xảy ra các bước chuyển năng lượng. Điều kiện xảy ra các bước

chuyển là tần số  của bức xạ điện từ phải thỏa mãn hệ thức: E = h

Trong đó E – Biến thiên năng lượng của các bước chuyển.

Vậy chính bước chuyển năng lượng điện tử khi phân tử hấp thụ năng lượng của bức xạ điện tử đã gây nên hiệu ứng phổ hấp thụ. Vì vậy, số liệu của phổ điện tử cho phép ta nghiên cứu đặc điểm các phân tử.

Thiết bị cho phép thu được phổ điện tử là máy quang phổ hấp thụ tử ngoại và khả kiến.

1.5.5. Phổ dao động hồng ngoại FT – IR.

Phổ IR nằm giữa vùng ánh sáng khả kiến và tử ngoại, trải rộng trong

vùng số sóng 4000 – 400 cm-1.Hình 1.14 và 1.15 thể hiện số sóng và năng lượng

tương ứng của vùng hồng ngoại.

Độ hấp thu được tính bằng công thức sau:  log (1/ )10 T .

Hình 1.14: Phổ điện tử Hình 1.15: Số sóng và năng lượng trong vùng IR

FT-IR hoạt động dựa trên sự hấp thụ bức xạ hồng ngoại của vật cần nghiên cứu. Phương pháp này ghi nhận các dao động đặc trưng của các liên kết hóa học giữa các nguyên tử, nó cho phép phân tích với hàm lượng chất mẫu rất thấp và có thể phân tích cấu trúc, định tính và cả định lượng. Có thể đạt độ nhạy rất cao ngay cả khi mẫu chỉ có bề dày cỡ nano mét...Phương pháp này không làm hỏng mẫu. Mẫu chuẩn bị để chạy phổ này có thể ở các trạng thái khác nhau. Máy quang phổ FT-IR (hình 1.16) hoạt động dựa trên nguyên lý:

- Mỗi hợp chất hoá học hấp thụ năng lượng hồng ngoại ở một tần số đặc trưng.

- Cấu trúc cơ bản của vật chất có thể được xác định bằng vị trí các vạch hấp thu của phổ nhận được.

23