CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
1.13. Phương pháp xác định tính chất hóa lý và cấu trúc vật liệu
1.13.5. Phương pháp phân tích nhiễu xạ ti aX (XRD)
Nhiễu xạ tia X là hiện tượng các chùm tia X giao thoa trên các mặt phẳng mạng của tinh thể do tính tuần hồn của cấu trúc tinh thể tạo nên. Kỹ thuật nhiễu xạ tia X được sử dụng rộng rãi để phân tích cấu trúc tinh thể và vật liệu.
Nguyên lý của phương pháp là dựa trên hiện tượng nhiễu xạ Bragg, ta có chùm tia X có bước sóng λ chiếu tới một tinh thể chất rắn dưới góc tới θ nằm trong mặt phẳng hình vẽ. Do tinh thể có tính chất tuần hồn, hai mặt tinh thể liên tiếp nhau sẽ cách nhau những khoảng cách đều d, đóng vai trị giống các cách tử nhiễu xạ và tạo ra hiện tượng nhiễu xạ của các tia X. Nếu quan sát các chùm tia tán xạ theo phương phản xạ (tức góc tới) thì hiệu quang trình giữa những tia phản xạ từ các mặt tinh thể lân cận nhau là 2dsin(θ). Sóng phản xạ ở mặt kế tiếp sẽ được tăng cường khi hiệu quang trình bằng một số ngun lần bước sóng thì xảy ra hiện tượng giao thoa giữa các sóng phản xạ. Điều kiện Vulf- Bragg để có hiện tượng nhiễu xạ được viết dưới dạng:
2dsin(θ) = nλ (1.3)
Đây là phương trình Bragg mơ tả hiện tượng nhiễu xạ tia X trên các mặt tinh thể, trong đó: λ là bước sóng của tia X, θ là góc giữa tia tới với mặt phản xạ, d là khoảng cách giữa các mặt phẳng mạng, n là bậc phản xạ (Với n = 1,2,3…). Nếu tìm được các góc θ ứng với cực đại sẽ tìm được d theo điều kiện Vulf-Bragg. Sau khi tính tốn giá trị của dãy tỷ số Ki = Sin2θi /Sin2θ1 tìm được h, k, l. Dùng cơng thức liên hệ giữa khoảng cách các mặt mạng dh k l với các chỉ số Miller và hằng số mạng:
2 2 2
2 2 2 2
1 h k l
d = a +b +c (1.4)
Kết quả tính tốn hằng số mạng của mẫu sẽ ứng với các hằng số a, b, c. Các đỉnh nhiễu xạ trên giản đồ nhiễu xạ tia X đặc trưng cho cấu trúc của vật liệu, dựa vào số lượng, độ bán rộng, vị trí các đỉnh nhiễu xạ... ta có thể suy đốn được kiểu mạng, xác định bản chất mẫu. Như vậy, với mỗi loại tinh thể có kiểu mạng xác định sẽ cho ảnh nhiễu xạ với vị trí, số lượng, cường độ của các vạch nhiễu xạ là xác định, do đó ta có thể xác định được bản chất cấu trúc tinh thể của vật liệu cần nghiên cứu qua phổ nhiễu xạ tia X. Phương pháp nhiễu xạ tia X không chỉ cho ta các thông tin về các pha
71
tinh thể, độ hồn thiện của tinh thể mà cịn có thể xác định kích thước hạt. Nguyên lý chung của phương pháp là dựa vào các ảnh hưởng khác nhau của kích thước hạt lên ảnh nhiễu xạ. Đối với vật liệu nano, xác định kích thước hạt tinh thể bằng nhiễu xạ tia X là phương pháp nhanh, không làm hỏng mẫu và đã được thử nghiệm lâu dài. Để tính kích thước hạt thường sử dụng công thức Scherrer:
cos
K
d
= (1.5)
Trong đó: d:kích thước trung bình của các hạt. λ: là bước sóng của tia X
θ: là góc nhiễu xạ, được sử dụng trong phép phân tích.
β: là độ rộng tại một nửa chiều cao của cực đại nhiễu xạ (FWHM).
Hình 1.22: Sự nhiễu xạ của tia X bởi các mặt phẳng mạng [74]