CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU NANO LaFeO3
2.2.1. PHƯƠNG PHÁP NHIỄU XẠ TIA X (XRD)
Phương pháp nhiễu xạ tia X hay còn gọi là X-ray diffraction (viết tắt là XRD) là phương pháp sử dụng nguồn năng lượng của một chùm electron chiếu vào bề mặt của tinh thể chất rắn dưới góc tới θ. Khi nhận được năng lượng đó các electron ở bề mặt bị bứt ra và làm xuất hiện các lỗ trống. Để lấp đầy các lỗ trống này thì electron có mức năng lượng cao hơn sẽ nhảy về mức năng lượng thấp hơn và phát ra năng lượng thừa. Loại năng lượng này được gọi là tia X.
Về cơ bản, phương pháp XRD tuân theo định luật Vulf – Bragg:
n.λ = 2.d.sin θ (1)
Trong đó: n là bậc nhiễu xạ (n là số nguyên). λ là bước sóng của tia X.
d là khoảng cách giữa hai mặt phẳng tinh thể.
θ là góc tạo bởi tia tới và mặt phẳng phản xạ.
Phương pháp XRD giúp ta xác định được cấu trúc tinh thể của vật liệu cần nghiên cứu thơng qua số lượng, vị trí và cường độ của các peak trên giản đồ phổ nhiễu xạ. Để xác định được cấu trúc mạng tinh thể của chất nghiên cứu ta cần so sánh giá trị d đo theo phương pháp XRD và giá trị d chuẩn. Với mỗi loại vật liệu sẽ có một giá trị d đặc trưng ứng với năng lượng và góc tới θ của nguồn tia X.
Ngoài xác định được cấu trúc mạng tinh thể của vật liệu, ta cũng tính được gần đúng giá trị kích thước của các hạt theo công thức Scherrer:
0,89. cos D = (2) Trong đó: D là kích thước tinh thể (Å)
λ - bước sóng tia X (Với catot của máy đo làm bằng Cu thì λ = 1,5406 Å) β - độ rộng bán phổ (FWHM - Full width at half maximum) (rad)
θ - góc nhiễu xạ Bragg (rad)
Các thơng số mạng a, b, c và thể tích ơ mạng V của tinh thể perovskite LaFeO3 được tính theo cơng thức (3) và (4) dưới đây
2 2 2 2 2 2 2
1 h k l
d = a + b +c (3)
V = a b c (4)
2.2.2. PHƯƠNG PHÁP KÍNH HIỂN VI ĐIỆN TỬ QUÉT (SEM) VÀ KÍNH HIỂN VI ĐIỆN TỬ TRUYỀN QUA (TEM)
Kính hiển vi điện tử quét (tiếng Anh là: Scanning Electron Microscope, viết tắt là: SEM) là loại 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 electron hẹp quét trên bề mặt mẫu.
Kính hiển vi điện tử truyền qua (tiếng Anh là Transmission Electron Microscopy, viết tắt là: TEM) là một thiết bị nghiên cứu vi cấu trúc của mẫu vật rắn bằng cách dùng năng lượng của chùm electron chiếu xuyên qua mẫu vật mỏng và dùng các thấu kính từ để phóng đại ảnh thu được.
Để chuẩn bị mẫu cho kính hiển vi điện tử, ta sử dụng một số phương pháp phổ biến như đóng khối, cắt lát, nghiền ion, phủ dẫn điện, … với các yêu cầu cần thiết về chất lượng mẫu để có thể phân tích.
• Đối với mẫu TEM: yêu cầu bề dày của mẫu đạt được nhỏ hơn 30 m và cấu trúc khơng bị biến dạng.
• Đối với mẫu SEM: không yêu cầu quá mỏng nhưng bề mặt phải được đánh bóng với kết quả cuối cùng hồn tồn khơng có vết xước và biến dạng, bề mặt nên có tính dẫn điện.
Sử dụng phương pháp kính hiển vi điện tử trên cho ta biết về cấu trúc, kích thước, hình dạng của vật liệu cần phân tích. Mỗi phương pháp có các ưu và nhược điểm khác nhau.
Các phương pháp SEM TEM
Ưu điểm - Không phá huỷ mẫu. - Kết quả có độ tương phản
- Có thể hoạt động ở môi trường chân không thấp. - Thao tác dễ thực hiện, giá thành thấp.
Nhược điểm - Độ phân giải không tốt bằng TEM.
- Giá thành cao, thiết bị hiện đại.
- Điều kiện làm việc cao, ổn định, cần nhiều phép xử lý, điều khiển phức tạp.
2.2.3. PHƯƠNG PHÁP TỪ KẾ MẪU RUNG (VSM)
Từ kế mẫu rung (tiếng Anh là: Vibrating Sample Magnetometer, viết tắt là: VSM) là một dụng cụ để đo các tính chất từ của vật liệu từ, nguyên lý hoạt động dựa trên nguyên tắc thu tín hiệu cảm ứng điện từ khi rung mẫu trong một từ trường.
Lực kháng từ Hc (Coercivity) được định nghĩa bằng giá trị từ trường cần thiết để triệu tiêu từ độ hoặc cảm ứng từ của vật liệu từ. Khi Hc được gọi là trường đảo từ thì đại lượng này được định nghĩa là giá trị từ trường cần thiết để đảo chiều từ độ của vật từ.
Độ từ hoá hay từ độ M (Magnetization) là một đại lượng véc-tơ được xác định bằng tổng mômen từ nguyên tử trên một đơn vị thể tích của vật từ. Đơi khi độ từ hoá cịn được định nghĩa là tổng mômen từ trên một đơn vị khối lượng.
Độ từ dư Mr (Remanent magnetization) là từ hố cịn giữ lại trong khối vật liệu sau khi từ trường bằng không.
Vật liệu từ là một loại vật liệu mà có thể bị từ hoá dưới tác dụng của từ trường. Khi khảo sát vật liệu từ, cần chú trọng vào lực kháng từ (Hc) và độ từ dư (Mr). Tuỳ vào tính chất của chúng trong từ trường mà người ta chia làm hai loại:
• Vật liệu từ cứng: là loại vật liệu rất khó từ hố và khó khử từ, có lực kháng từ cao, đường cong từ trễ rộng. Khi bị từ hoá thì năng lượng từ của vật liệu được giữ lại rất lâu, có thể dùng làm nam châm vĩnh cửu. Điều kiện tối thiểu là lực kháng từ trên 100 Oe. Vật liệu từ cứng phổ biến thường có lực kháng từ hàng ngàn Oe trở lên. Dùng để tạo ra nam châm vĩnh cửu hoặc sử dụng làm vật liệu ghi từ trong các băng từ, ổ đĩa cứng, …
• Vật liệu từ mềm: là loại vật liệu dễ khử từ, có độ từ thẫm lớn, đường cong từ trễ hẹp, lực kháng từ nhỏ. Những vật liệu có tính từ mềm tốt thường có lực kháng từ rất nhỏ (cỡ 0,01 Oe). Dùng làm lõi biến thế, lõi dẫn từ, cuộn cảm, nam châm điện, cảm biến đo từ trường, …
Từ trễ (tiếng Anh là: Magnetic Hysteresis) là hiện tượng bất thuận nghịch giữa q trình từ hóa và đảo từ ở các vật liệu sắt từ do khả năng giữ lại từ tính của các vật liệu sắt từ. Đây là hiện tượng đặc trưng quan trọng của loại vật liệu sắt từ.
Hiện tượng từ trễ được biểu diễn thông qua đường cong từ trễ, được mô tả như sau: sau khi từ hoá vật liệu sắt từ đến một từ trường bất kỳ, nếu ta giảm dần từ trường và quay lại theo chiều ngược thì nó khơng trở về đường cong ban đầu mà đi theo một đường khác. Và nếu đảo từ theo một chu trình kín, ta sẽ thu được một đường cong kín gọi là đường cong từ trễ như hình 2.4. Đường cong từ hố khác với chất thuận từ ở chỗ đường cong từ hoá là đường cong phi tuyến tính, trong khi đó chất thuận từ là tuyến tính và đạt tới bão hoà khi từ trường đủ lớn. Các phương pháp phổ biến để đo đường cong từ trễ:
• Đo bằng điện kế xung kích
• Đo bằng từ kế và các thiết bị đo từ trễ