Phương pháp nhiễu xạ tia X là một trong những phương pháp thường được sử dụng để nhận dạng cấu trúc và độ tinh thể của vật liệu dựa vào việc ghi lại phổ tia X phát ra từ vật rắn do tương tác với các bức xạ (mà chủ yếu là chùm điện tử có năng lượng cao trong các kính hiển vi điện tử).
Tia X được chiếu tới với cường độ tia nhiễu xạ được thu bằng detector, bộ chuẩn trục được đặt trên đường tia để tạo tia mảnh và tích tụ. Bộ lọc đơn sắc thường là tinh thể. Hình 2.5 biểu diễn sơ đồ thiết bị đo nhiễu xạ tia X.
Hình 2.5 Sơ đồ thiết bị đo nhiễu xạ tia X
Chùm tia X được chiếu vào mẫu đo với góc θ, trong khi detector ghi tín hiệu tia X nhiễu xạ trên góc 2θ. Góc tới tiếp tục được thay đổi theo thời gian và vị trí ghi nhận tín hiệu tia nhiễu xạ của detector cũng thay đổi tương ứng. Cường độ tia nhiễu xạ 2θ
được ghi tự động trên giấy vẽ và tín hiệu được xử lý bằng máy vi tính cho ngay kết quả.
Hình học và kích thước ơ mạng cơ sở có thể xác định từ vị trí góc của các đỉnh nhiễu xạ, cịn sự sắp xếp của các nguyên tử trong ô đơn vị liên quan đến cường độ tương đối của các đỉnh.
Trong phổ nhiễu xạ tia X có thể xác định thành phần các pha hóa học của mẫu phân tích và các dạng tồn tại của cùng một hợp chất và định lượng các pha.
Mỗi pha gồm một ô mạng nhất định và cho một hệ vạch nhiễu xạ tương ứng trên giản đồ nhiễu xạ. Nếu mẫu gồm nhiều pha thì trên giản đồ nhiễu xạ sẽ tồn tại đồng thời nhiều hệ vạch độc lập với nhau. Sự có mặt của các vạch nhiễu xạ đặc trưng là cơ sở để xác định định tính các pha trong mẫu.
Thực nghiệm:
Các giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu nghiên cứu được ghi tại Khoa Hóa- Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên- Đại Học Quốc Gia Hà Nội trên máy D8- Advance- Bruker- Germany, bức xạ Cu- K với bước sóng K = 1,5406 (Å), cường độ dịng điện 30 mA, điện áp 40 kV, góc qt 2 từ 200 đến 800, tốc độ quét 0,03 0/ giây, nhiệt độ phòng là 25 0C.
2.3.2. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)
Kính hiển vi điện tử quét được sử dụng để khảo sát hình thái bề mặt và cấu trúc lớp mỏng dưới bề mặt trong điều kiện chân không hay khảo sát bề mặt điện cực hoặc bề mặt bị ăn mịn, cũng như để phân tích thành phần hố học của bề mặt vật liệu.
Hình 2.6 Cấu tạo cảu kính hiển vi điện tử quét SEM 1- Nguồn phát điện tử đơn sắc; 2- Thấu kính điện tử; 1- Nguồn phát điện tử đơn sắc; 2- Thấu kính điện tử;
3-Mẫu nghiên cứu; 4-Detector điện tử thứ cấp;
5- Detector điện tử xuyên qua; 6- Khuếch đại tín hiệu; 7- Bộ lọc tia
Tia điện tử phát ra ở nguồn 1 được hệ thấu kính 2 làm hội tụ rồi quét lên mẫu 3 nhờ hệ lái tia 8. Một hay nhiều detector 4 thu nhận điện tử thứ cấp phản xạ từ mẫu 3, được đồng bộ hố với tín hiệu thu nhận từ detector 5 (tia xuyên qua) sau khi khuếch
đại ở 6 được chiếu lên màn huỳnh quang 7 và cho hình ảnh cấu trúc của mẫu.
Nếu mẫu dày hơn thì sau khi tương tác với bề mặt mẫu các sản phẩm tương tác
(các điện tử thứ cấp) sẽ đi theo một hướng khác ra khỏi bề mặt mẫu. Các điện tử thứ
cấp này được detector 4 thu nhận, phân tích và chuyển đổi thành hình ảnh SEM. Đối với mẫu khơng phải là kim loại muốn sử dụng kỹ thuật phản xạ này phải phủ trước cho mẫu một lớp màng mỏng kim loại cỡ 10 nm để tránh hiện tượng tích điện trên bề mặt mẫu.
Khi các chùm tia tới tương tác với bề mặt mẫu cịn có thể sinh ra nhiều tín hiệu khác ngồi các điện tử thứ cấp, điện tử xun qua nói trên. Một trong các tín hiệu đó là của các điện tử phản xạ ngược, các điện tử này tạo nên các hình ảnh gồm các vùng
trắng ứng với các nguyên tố nặng cho các điện tử phản xạ ngược mạnh và các vùng tối ứng với các nguyên tố nhẹ cho các điện tử phản xạ yếu. Phát hiện, thu nhận, phân tích các phản xạ ngược này chính là cơ sở của phương pháp phân tích định tính các ngun tố có mặt trong mẫu, đó là chức năng thứ hai của kỹ thuật hiển vi điện tử. Hiện nay kính hiển vi điện tử quét tiếp tục được cải tiến, khai thác, bổ sung để chúng có nhiều chức năng hơn nữa như chức năng phân tích hố học, phân tích định lượng. Độ phân giải của kính hiển vi điện tử quét trùng với hầu hết kích thước các nguyên tử (từ 0,2
nm đến 10 µm). Mặt khác trong vùng hiển vi điện tử và vùng hiển vi quang học đều có
thể làm việc được thì hình ảnh của của SEM có độ sâu, độ sắc nét hơn hẳn ảnh của hiển vi quang học. Đó là lý do sử dụng phương pháp kính hiển vi điện tử quét để nghiên cứu bề mặt.
Thực nghiệm:
Ảnh hiển vi điện tử quét SEM của các mẫu vật liệu được ghi trên thiết bị Nova NanoSEM 450, Khoa Vật lý – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – ĐHQGHN.