Nhiễu xạ tia X là hiện tượng các chùm tia X nhiễu xạ trên các mặt tinh thể của chất rắn do tính tuần hoàn của cấu trúc tinh thể tạo nên các cực đại và cực tiểu nhiễu xạ. Kỹ thuật nhiễu xạ tia X (thường viết gọn là nhiễu xạ tia X) được sử dụng để phân tích cấu trúc chất rắn, vật liệu... Xét về bản chất vật lý, nhiễu xạ tia X cũng gần giống với nhiễu xạ điện tử, sự khác nhau trong tính chất phổ nhiễu xạ là do sự khác nhau về tương tác giữa tia X với nguyên tử và sự tương tác giữa điện tử và nguyên tử.
Phương pháp nhiễu xạ tia X cung cấp trực tiếp những thông tin về cấu trúc tinh thể, mức độ kết tinh, thành phần pha, kích thước hạt trung bình, và khoảng cách giữa các lớp cấu trúc đối với vật liệu có cấu trúc lớp.
Nguyên lý chung của phương pháp nhiễu xạ tia X là dựa vào vị trí và cường độ các vạch nhiễu xạ trên giản đồ ghi được của mẫu để xác định thành phần pha, các thông số mạng lưới tinh thể, khoảng cách giữa các mặt phản xạ trong tinh thể.
Xét một chùm tia X có bước sóng λ chiếu tới một tinh thể chất rắn dưới góc tới
θ. Do tinh thể có tính chất tuần hoàn, các mặt tinh thể sẽ cách nhau những khoảng đều đặn d, đóng vai trò giống như các cách tử nhiễu xạ và tạo ra hiện tượng nhiễu
xạ của các tia X. Nếu ta quan sát các chùm tia tán xạ theo phương phản xạ (bằng góc tới) thì hiệu quang trình giữa các tia tán xạ trên các mặt là:
Như vậy để có cực đại nhiễu xạ thì góc tới phải thỏa mãn điều kiện: Ở đây n là số nguyên nhận các giá trị 1, 2…
Đây là định luật Vulf-Bragg mô tả hiện tượng nhiễu xạ tia X trên các mặt tinh thể.
Cường độ nhiễu xạ
Cường độ chùm tia nhiễu xạ được cho bởi công thức:
Với là hàm sóng của chùm nhiễu xạ, còn Fg là thừa số cấu trúc (hay còn gọi là xác suất phản xạ tia X), được cho bởi công thức:
Ở đây, g vector tán xạ của chùm nhiễu xạ, ri là vị trí của nguyên tử thứ i trong ô đơn vị, còn fi là khả năng tán xạ của nguyên tử. tổng được lấy trên toàn bộ ô đơn vị
Phổ nhiễu xạ tia X: là sự phụ thuộc của cường độ nhiễu xạ vào góc nhiễu xạ (thường dùng 2 lần góc nhiễu xạ)
Hình 2.1. 29 - Các tia nhiễu xạ trên các mặt tinh thể của chất rắn
Dựa vào giá trị bán chiều rộng của peak (đỉnh) đặc trưng trên giản đồ nhiễu xạ người ta có thể tính được kích thước trung bình của các hạt tinh thể (hạt sơ cấp) theo công thức Scherrer. Từ giản đồ nhiễu xạ tia X, người ta có thể tính được kích thước trung bình của các hạt TiO2 theo công thức Scherrer:
0.89 r cos ×λ = β× θ
Trong đó: r−là kích thước hạt trung bình (nm), λ là bước sóng bức xạ Kα
của anot Cu, bằng 0,16 nm, β là độ rộng (FWHM) của píc tại nửa độ cao của píc cực đại (radian), θ là góc nhiễu xạ Bragg ứng với píc cực đại (độ).
Từ giản đồ nhiễu xạ tia X ta cũng có thể tính được thành phần của các pha anatase và rutile trong mẫu TiO2 theo phương trình sau:
R A I I 8 . 0 1 1 + = χ ; A R I I X 26 . 1 1 1 + =
Trong đó: χ là hàm lượng rutile (%). X là hàm lượng anatase (%). IA là cường độ nhiễu xạ của anatase. IR là cường độ nhiễu xạ của rutile.
Trong đồ án của tôi, giản đồ nhiễu xạ tia X (X-Ray Diffraction - XRD) được ghi lại trong dải 2θ = 10 – 80o nhờ máy D8 advance của hãng Bruker, sử dụng sự phát xạ Cu Kα1 (λ = 0,16Å) là nguồn phát xạ tia X, thiết bị được trang bị một đầu dò phân tán năng lượng SOL-XE.