CHƯƠNG 2 : PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
2.2. Các phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
2.2.1. Phép đo nhiễu xạ bột Rơn - Ghen ở nhiệt độ phịng.
Cấu trúc và các thơng số đặc trưng như hằng số mạng của các mẫu được xác định thơng qua phép phân tích phổ nhiễu xạ tia X. Mẫu đem phân tích có thể ở dạng bột hoặc dạng màng. Các pha kết tinh trong quá trinh tạo mẫu được xác định từ ảnh nhiễu xạ bột Rơnghen. Phép đo này được thực hiện tại Trung tâm Khoa học vật liệu, khoa Vật Lý, trường ĐHKHTN.
Giản đồ nhiễu xạ tia X được ghi trên máy Siemens D500 của hãng Siemens - Germany với bức xạ Cu - K điện thế 30 kV và có bước sóng = 1,54056 A0, cường độ dòng điện 25mA. Với sự giúp đỡ của phép đo này có thể nghiên cứu được loại cấu trúc tinh thể của vật liệu và xác định được giá trị các hằng số mạng trong ơ cơ bản.
Giả thiết sóng X tới bị phản xạ trên các mặt phẳng mạng song song nhau và cách nhau một khoảng d (hình 2.3)
Hình 2.3. Phản xạ Bragg từ các mặt phẳng mạng song song .
Sóng phản xạ trên mỗi mặt phẳng mạng có cường độ rất yếu, nhưng nếu sang phản xạ giao thoa với nhau thì có thể nhận được chùm tia nhiễu xạ có cường độ rất mạnh. Xét trên hình 2.3 lần lượt với 2 tia ta có hiệu quang lộ của 2 tia là:
L = 2dsin = n (2.1)
Biểu thức (2.1) là điều kiện để nhận được chùm tia nhiễu xạ có cường độ mạnh nhất, đây được gọi là điều kiện phản xạ Bragg.
+ Với các giá trị xác định của và d ta chỉ có thể quan sát được chùm tia nhiễu xạ ở góc thỏa mãn với điều kiện Bragg.
+ Trong một tinh thể thường có nhiều hệ mặt phẳng (h, k, l) nên ta có thể quan sát cực đại nhiễu xạ ở nhiều hướng khác nhau theo các giá trị khác nhau.
Sau khi có các số liệu từ ảnh nhiễu xạ tia X, dựa vào sự đồng nhất của mẫu chế tạo và phổ chuẩn xác định ta có thể tính được hằng số mạng (a, b, c) của mẫu chế tạo. Bằng cách biết cấu trúc của mẫu chế tạo từ phổ chuẩn ta xác định mối liên quan giữa khoảng cách của các mặt tinh thể (d), chỉ số Miller (h, k, l) và xác định các hằng số mạng (a, b, c). Do có sự đồng nhất về cấu trúc nên mẫu chế tạo có chung bộ chỉ số Miller với phổ chuẩn. Để xác định hằng số mạng (a, b, c) ta có thể dựa vào biểu thức liên hệ các thông số d, chỉ số Miller và hằng số mạng, từ việc đã xác định được d nhờ kết quả ảnh nhiễu xạ tia X và chỉ số Miller từ phổ chuẩn.
2.2.2. Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) và phổ tán sắc năng lượng ( EDS). Để xác định cấu trúc bề mặt của mẫu ta dùng phương pháp quét ảnh hiển vi Để xác định cấu trúc bề mặt của mẫu ta dùng phương pháp quét ảnh hiển vi điện tử (SEM). Ngồi ra SEM cịn cho ta biết sự phân bố các hạt trên bề mặt mẫu đồng nhất hay khơng đồng nhất và trên cơ sở đó có thể xác định kích thước trung bình của hạt.
Gọi là kính hiển vi điện tử qt bởi vì phương pháp này khơng cho chùm tia electron xuyên qua mẫu mà chỉ quét trên bề mặt mẫu. Hình 2.4 trình bày sơ đồ khối của kính hiển vi điện tử quét. Chùm electron được phát ra bởi súng phóng điện tử sau đó được gia tốc. Sau khi được gia tốc chùm điện tử đi qua hệ thống thấu kính từ để ta có được chùm tia hẹp, tập trung. Chùm tia hẹp này được quét lên bề mặt mẫu nhờ bộ quét tĩnh điện, bộ quét này điều khiển chùm tia electron lần lượt quét lên bề mặt mẫu. Bộ quét đồng thời điều khiển tia electron trong đèn hình đồng bộ với tia electron quét trên bề mặt mẫu, nhưng với diện tích trên đèn hình lớn hơn.
Khi chùm tia electron đập vào mặt mẫu, các electron va chạm với các nguyên tử ở bề mặt mẫu từ đó phát ra các chùm tia electron thứ cấp, các electron tán
xạ ngược, bức xạ tia X… Mỗi loại tia hoặc bức xạ nêu trên đều phản ánh một đặc điểm của mẫu tại nơi có chùm tia chiếu đến. Ví dụ số electron phát ra, bước sóng X phát ra phụ thuộc bản chất của nguyên tử tại bề mặt mẫu… Như vậy ta có thể ứng dụng để có được những thơng tin cần thiết.
Các electron va chạm vào các nguyên tử bề mặt mẫu có thể phát tia X. Năng lượng tia X đặc trưng cho nguyên tố phát ra chúng. Bằng cách phân tích phổ năng lượng của tia X ta có thể biết được thành phần hóa học của mẫu tại nơi chùm tia electron chiếu vào. Phương pháp này người ta gọi là phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS).
Hình 2.4. Sơ đồ khối của kính hiển vi điện tử quét (SEM).
Kết quả SEM và EDS trong luận văn này thu được từ kính hiển vi điện tử quét (SEM) JMS5410 của hãng Jeol (Nhật Bản) có kèm theo phụ kiện EDS của
hãng Oxford (Anh) tại Trung tâm Khoa học Vật liệu, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐH Quốc Gia Hà Nội.
2.2.3. Đo từ hóa phụ thuộc nhiệt độ bằng phương pháp từ kế mẫu rung. Thiết bị từ kế mẫu rung (Vibrating Sample Magnetometer – VSM) là một Thiết bị từ kế mẫu rung (Vibrating Sample Magnetometer – VSM) là một thiết bị dùng để xác định từ độ của mẫu hoạt động theo nguyên lý cảm ứng điện từ. Bằng cách thay đổi vị trí tương đối của mẫu có mơmen từ M với cuộn dây thu, từ thơng qua tiết diện ngang của cuộn dây sẽ thay đổi làm xuất hiện trong nó một suất điện động cảm ứng. Các tín hiệu thu được (tỉ lệ với M) sẽ được khuếch đại, số hóa rồi chuyển sang giá trị của đại lượng từ cần đo bằng một hệ số chuẩn của hệ đo.
Bằng cách sử dụng từ kế mẫu rung (VSM), ta có thể xác định được các đường cong từ độ phụ thuộc vào nhiệt độ M(T) theo hai chế độ khơng có từ trường (ZFC) và có từ trường (FC). Phép đo ZFC là phép đo từ độ khi mẫu được làm lạnh khơng có từ trường (H = 0) cho tới nhiệt độ thấp nào đó, sau đó đặt một từ trường ngoài ổn định vào, ghi lại các giá trị từ độ. Phép đo FC là phép đo khi mẫu được làm lạnh ở từ trường khơng đổi từ nhiệt độ phịng xuống đến nhiệt độ thích hợp, sau đó ghi lại giá trị từ độ của mẫu khi tăng nhiệt độ. Phương pháp này có thể ngoại suy được nhiệt độ chuyển pha TC của mẫu. Sơ đồ mô tả hệ đo từ kế mẫu rung được đưa ra trên hình 2.5.
Mẫu được gắn vào một cần dao động với tần số 55Hz và được đặt tại tâm của hệ các cuộn dây mắc xung đối (bộ thu tín hiệu). Trong q trình mẫu dao động, từ thơng do mẫu sinh ra qua các cuộn dây của bộ thu tín hiệu biến thiên và do đó, sinh ra suất điện động cảm ứng xoay chiều giữa hai đầu cuộn dây của bộ thu tín hiệu.
Suất điện động cảm ứng này tỉ lệ với mômen từ của mẫu. Từ độ của mẫu có giá trị bằng giá trị của mơmen từ chia cho khối lượng của mẫu. Như vậy, thông qua việc xác định suất điện động cảm ứng do mẫu gây ra tại bộ thu tín hiệu, ta xác định được mơmen từ và do đó xác định được từ độ của mẫu.
Hình 2.5. Sơ đồ khối của hệ đo từ kế mẫu rung (VSM).
2.2.4. Phép đo điện trở.
Phép đo điện trở được tiến hành trên các mẫu bằng phương pháp bốn mũi dị
tại Bộ mơn vật lý Nhiệt độ thấp. Nguyên lý phép đo được mô tả như sau:
Bốn mũi dò được mạ vàng để tiếp xúc tốt, đặt thẳng hàng trên bề mặt mẫu. Nguồn 12V từ ắc quy nối với điện trở chuẩn RF rồi đưa vào các mũi dị 1 và 4. Tín hiệu thế lấy ra từ 2 đầu 2 và 3 được đưa vào kênh 101 của Keithley. Tín hiệu thế từ hai đầu điện trở đưa vào kênh 103 của Keithley. Một đầu cặp nhiệt điện được đưa vào buồng mẫu để xác định nhiệt độ của mẫu. Tín hiệu điện được đưa vào Keithley thông qua kênh 102.
Điều khiển động cơ Nguồn phát Khuyếch đại Lock - in Cuộn dây thu tín hiệu Nam ch âm đi ện Thiết bị rung Mẫu Mô tơ bước Bộ điều khiển quay
Những số liệu Keithley được số hóa rồi gửi sang máy tính qua Card IEE – 488. Máy tính với chương trình lập sẵn sẽ tự động ghi nhận số liệu và vẽ đồ thị phụ thuộc vào nhiệt độ của điện trở. Điện trở của mẫu được tính theo cơng thức:
F F R V V R (2.2)
Trong đó R, RF là điện trở của mẫu và điện trở chuẩn, V và VF là hiệu điện thế trên hai đầu 2 và 3 và trên hai đầu của điện trở chuẩn.
Sơ đồ chi tiết của hệ đo điện trở bằng phương pháp bốn mũi dị được trình bày trên hình 2.6.
Hình 2.6. Sơ đồ chi tiết hệ đo điện trở bằng phương pháp bốn mũi dò.