CHƢƠNG 2 : CHẾ TẠO MẪU
2.5. Nhiễu xạ kế tia X
Nhƣ chúng ta đã biết tính chất vật lý của một chất đƣợc quy định bởi cấu trúc tinh
thể của chất đó. Khi nghiên cứu cấu trúc tinh thể là một phƣơng pháp cơ bản để nghiên cứu cấu trúc vật chất. Phƣơng pháp đƣợc sử dụng để nghiên cứu tính chất của vật đó là phƣơng pháp nhiễu xạ tia X. Phƣơng pháp này có ƣu điểm là xác định đƣợc các đặc tính cấu trúc, thành phần pha của vật liệu mà không phá huỷ mẫu và cũng chỉ cần một lƣợng nhỏ để phân tích.
Nguyên lý chung của phƣơng pháp nhiễu xạ tia X:
Dùng chùm tia X đơn sắc chiếu vào tinh thể khi đó các nguyên tử bị kích thích và trở thành các tâm phát sóng thứ cấp. Các sóng thứ cấp này triệt tiêu với nhau theo một số phƣơng và tăng cƣờng với nhau theo một số phƣơng tạo nên hình ảnh giao thoa. Hình ảnh này phụ thuộc vào cấu trúc của tinh thể. Khi nghiên cứu và phân tích hình ảnh đó ta có thể biết đƣợc cách sắp xếp các ngun tử trong ơ mạng. Từ đó
θ d
Hình 2.5.1: Hiện tượng nhiễu xạ tia X trên tinh thể.
ta có thể xác định đƣợc cấu trúc mạng tinh thể, các pha cấu trúc trong vật liệu, cấu trúc ô mạng cơ sở…
Nguyên tắc của phƣơng pháp nhiễu xạ tia X dựa trên định luật nhiễu xạ Laue và điều kiện nhiễu xạ Bragg. Ta xem mạng tinh thể là tập hợp của các mặt phẳng song song cách nhau một khoảng d. Khi chiếu tia X vào bề mặt, do tia X có khả năng đâm xuyên mạnh nên không chỉ những nguyên tử bề mặt mà cả những nguyên tử bên trong cũng tham gia vào quá trình tán xạ. Để xảy ra hiện tƣợng nhiễu xạ thì các sóng phải thoả mãn điều kiện Laue: góc giữa mặt phẳng nhiễu xạ với tia tới và tia nhiễu xạ là bằng nhau; phƣơng của tia tới, tia nhiễu xạ và pháp tuyến của mặt phẳng nhiễu xạ là đồng phẳng; sóng tán xạ của các nguyên tử theo phƣơng tán xạ là đồng pha.
Điều kiện để có cực đại giao thoa đƣợc xác định theo công thức Bragg:
2d.sin = nλ (2.1)
Trong đó:
- dhkl là khoảng cách giữa các mặt phẳng phản xạ liên tiếp (mặt phẳng mạng tinh thể) có các chỉ số Miller (hkl); n = 1, 2, 3… là bậc phản xạ.
- θ là góc tới của chùm tia X . Tập hợp các cực đại nhiễu xạ với các góc 2θ khác nhau có thể ghi nhận bằng cách sử dụng phim hay detector. Đối với mỗi loại vật liệu khác nhau thì phổ nhiễu xạ có những đỉnh tƣơng ứng với các giá trị d, θ khác
nhau đặc trƣng cho loại vật liệu đó.
Đối chiếu phổ nhiễu xạ tia X (góc 2θ của các cực đại nhiễu xạ, khoảng cách d của các mặt phẳng nguyên tử) với dữ liệu nhiễu xạ chuẩn ta có thể xác định đƣợc cấu trúc tinh thể (kiểu ô mạng, hằng số mạng…) và thành phần pha của loại vật liệu đó.
Từ số liệu phổ nhiễu xạ tia X, ta cũng tính đƣợc kích thƣớc hạt nano dựa vào công thức Debye – Scherrer :
cos 9 , 0 D (2.2) Trong đó:
λ là bƣớc sóng của tia X; với anode Cu = 1,54056 Å.
β là độ rộng bán cực đại của vạch nhiễu xạ đƣợc xác định thông qua
θ là góc nhiễu xạ đƣợc xác định trên phổ nhiễu xạ tia X.
D là kích thƣớc trung bình của tinh thể.