2.2.2. Kính hiển vi điện tử qt (SEM)
Hình 2.6: Thiết bị đo kính hiển vi điện tử quét phát xạ trƣờng Hitachi S-4800 của viện Khoa Học Vật Liệu
Kính hiển vi điện tử quét (tiếng Anh: Scanning Electron Microscope, thường viết tắt là SEM), là một loại kính hiển vi điện tử có thể tạo ra ảnh với độ phân giải cao của bề mặt mẫu vật bằng cách sử dụng một chùm điện tử (chùm các electron) hẹp quét trên bề mặt mẫu. Việc tạo ảnh của mẫu vật được thực hiện thông qua việc ghi nhận và phân tích các bức xạ phát ra từ tương tác của chùm điện tử với bề mặt mẫu vật. SEM cho ảnh bề mặt của vật rắn với độ phóng đại lên tới hàng chục nghìn
lần (tuy nhiên độ phân giải của kính hiển vi điện tử quét chưa cho phép thấy được nguyên tử trên bề mặt).
Nguyên tắc hoạt động của SEM dựa trên việc tạo ra chùm điện tử trong kính hiển vi điện tử truyền qua. Tức là, khi chùm electron đập vào bề mặt mẫu, chúng va chạm với các nguyên tử ở bề mặt mẫu và từ đó có thể phát ra các electron thứ cấp, electron tán xạ ngược, tia X... Mỗi loại tia nêu trên đều phản ánh một đặc điểm của mẫu tại nơi mà chùm electron chiếu. Do độ phân giải của SEM được xác định từ kích thước chùm điện tử hội tụ, mà kích thước của chùm điện tử này bị hạn chế bởi quang sai nên SEM không thể đạt được độ phân giải tốt như TEM. Mặc dù khơng thể có độ phân giải tốt như kính hiển vi điện tử truyền qua nhưng kính hiển vi điện tử qt lại có điểm mạnh là phân tích mà khơng cần phá hủy mẫu vật và có thể hoạt động ở chân không thấp. Một điểm mạnh khác của SEM là các thao tác điều khiển đơn giản hơn rất nhiều so với TEM khiến cho nó rất dễ sử dụng. Một điều khác là giá thành của SEM thấp hơn rất nhiều so với TEM, vì thế SEM phổ biến hơn rất nhiều so với TEM.
2.2.3. Phép đo phân tích nhiệt trọng lƣợng (TGA)
Phân tích nhiệt là phương pháp phân tích mà trong đó các tính chất vật lý cũng như hóa học của mẫu được đo một cách liên tục như những hàm của nhiệt độ, nhiệt độ ở đây thay đổi có quy luật được định sẵn (thơng thường thay đổi tuyến tính theo thời gian). Trên cơ sở lý thuyết về nhiệt động học, từ sự thay đổi các tính chất đó ta có thể xác định được các thơng số yêu cầu của việc phân tích. Các tính chất được xác định bao gồm: Nhiệt độ chuyển pha, khối lượng mất đi, năng lượng chuyển pha, biến đổi về kích thước, ứng suất, tính chất nhờn, đàn hồi. Các thông tin cơ bản mà phương pháp này mang lại cho chúng ta là rất quan trọng đối với việc nghiên cứu và phát triển một loại sản phẩm. Có rất nhiều phương pháp phân tích nhiệt khác nhau như: Phân tích nhiệt vi sai (DTA), quét nhiệt vi sai (DSC), phân tích nhiệt trọng lượng (TGA)…
Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA-thermal gravimetric analysis) là phương pháp dựa trên cơ sở xác định khối lượng mẫu vật chất bị mất đi (hoặc nhận vào)
trong quá trình chuyển pha như một hàm của nhiệt độ. Khi vật chất bị nung nóng, khối lượng của chúng sẽ bị mất đi từ các quá trình đơn giản như bay hơi hoặc từ các phản ứng hóa học giải phóng khí. Một số vật liệu có thể nhận được khối lượng do chúng phản ứng với khơng khí trong mơi trường kiểm tra. Phép đo TGA nhằm xác định khối lượng bị mất trong quá trình chuyển pha và khối lượng bị mất theo thời gian và theo nhiệt độ do quá trình khử nước hoặc phân ly. Sự thay đổi của khối lượng là kết quả của quá trình đứt gãy hoặc sự hình thành vơ số các liên kết vật lý và hóa học tại một nhiệt độ gia tăng đến sự bay hơi của các sản phẩm hoặc tạo thành các sản phẩm nặng hơn. Nhiệt độ sử dụng thường 1200 , mơi trường sử dụng thường là khí trơ hoặc khí tích cực.
Cách đo và phân tích kết quả: Mẫu đo được đặt trong giá đỡ. Ban đầu, cân ở vị trí cân bằng, nhiệt độ được tăng lên nhờ thiết bị điều khiển. Trong quá trình tăng nhiệt độ, các q trình lý hóa xảy ra trong mẫu đó dẫn tới sự thay đổi khối lượng, sự thay đổi này nhờ các cảm biến khối lượng chuyển tín hiệu về máy tính để lưu trữ và chuyển đổi thành phần % khối lượng của vật liệu bị mất đi. Đường phổ TGA đặc trưng cho một chất hoặc một hệ do thứ tự của các phản ứng hóa học xuất hiện tại một khoảng nhiệt độ xác định là một hàm của cấu trúc. Từ đó, những thơng tin ta nhận được rất tốt cho việc xác định thành phần khối lượng các chất có mặt trong một mẫu chất nào đó. Bên cạnh đó, ta có thể xác định được thành phần độ ẩm, thành phần dung môi, chất phụ gia của một loại vật liệu nào đó.
2.2.4. Phép đo phổ hồng ngoại
Phương pháp đo phổ hồng ngoại dựa trên hiệu ứng đơn giản là: các hợp chất hố học có khả năng hấp thụ chọn lọc bức xạ hồng ngoại. Sau khi hấp thụ các bức xạ hồng ngoại, các phân tử của các hợp chất hoá học dao động với nhiều vận tốc dao động và xuất hiện dải phổ hấp thụ gọi là phổ hấp thụ bức xạ hồng ngoại. Các đám phổ khác nhau có mặt trong phổ hồng ngoại tương ứng với các nhóm chức đặc trưng và các liên kết có trong phân tử hợp chất hố học. Bởi vậy phổ hồng ngoại của một hợp chất hoá học coi như "dấu vân tay", có thể căn cứ vào đó để nhận dạng chúng.
Phổ hấp thụ hồng ngoại là phổ dao động quay vì khi hấp thụ bức xạ hồng ngoại thì cả chuyển động dao động và chuyển động quay đều bị kích thích. Bức xạ hồng ngoại có độ dài sóng từ 0.8 đến 1000µm và chia thành ba vùng:
1- Cận hồng ngoại (near infrared) λ = 0.8 – 2.5µm 2- Trung hồng ngoại (medium infrared) λ = 2.5 – 50µm 3- Viễn hồng ngoại (far infrared) λ = 50 - 100µm
Trong thực tế, phổ hồng ngoại thường được ghi với trục tung biểu diễn T%, trục hồnh biểu diễn số sóng với trị số giảm dần (4000 – 400 cm-1).
Để có thể hấp thụ bức xạ hồng ngoại, phân tử đó phải đáp ứng các yêu cầu sau:
+ Độ dài sóng chính xác của bức xạ: một phân tử hấp thụ bức xạ hồng ngoại chỉ khi nào tần số dao động tự nhiên của một phần phân tử (tức là các nguyên tử hay các nhóm nguyên tử tạo thành phân tử đó) cũng là tần số của bức xạ tới.
+ Một phân tử chỉ hấp thụ bức xạ hồng ngoại khi nào sự hấp thụ đó gây nên sự biến thiên momen lưỡng cực của chúng.