1.Phương pháp nhiễu xạ tia X
Nhiễu xạ tia X là hiện tượng chùm tia X nhiễu xạ trên các mặt tinh thể của chất rắn do tính tuần hoàn của cấu trúc tinh thể tạo nên cực đại và cực tiểu nhiễu xạ. Kỹ thuật nhiễu xạ tia X được sử dụng để phân tích cấu trúc vật rắn, vật liệu….
Nguyên lí của nhiễu xạ tia X như sau: Một chùm tia X có bước sóng 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 như các cách tử nhiễu xạ và tạo ra hiện tượng nhiễu xạ của các tia X. Hiệu quang trình giữa các tia tán xạ trên các mặt là . Để có cực đại nhiễu xạ thì góc tới phải thỏa mãn điều kiện Wulf-Bragg:
Trong đó:
là góc nhiễu xạ
dhkl là khoảng cách giữa các mặt phẳng phản xạ
n = 1, 2, 3... là các bậc phản xạ (thông thường trong các giản đồ nhiễu xạ chỉ nhận các nhiễu xạ bậc 1).
: bước sóng của tia X.
Hình 2.4. Phản xạ của tia X trên các mặt phẳng tinh thể
Giản đồ nhiễu xạ tia X là đường biểu diễn cường độ nhiễu xạ I phụ thuộc góc 2.Từ giản đồ nhiễu xạ tia X ta có thể xác định được khoảng cách giữa các mặt phẳng mạng theo các phương ( hkl) khác nhau, từ đó tính được các hằng số mạng.
Để tính được các hằng số mạng ta áp dụng các công thức:
- Hệ trực thoi (a ≠ b ≠ c ; α = β = γ
= 900)
2 2 2
2 2
2 2
1
c l b k a
h
dhkl = + +
- Hệ lập phương ( 900)
=
- Hệ lục giác ( a = b c , , = 1200) = +
Trong khóa luận này, các mẫu chế tạo đo bằng tia X với bước sóng � = 1.5406Å được đo tại trường Đại học Khoa học tự nhiên Hà Nội và khoa Hóa trường Đại học Y dược Hà Nội.
1. Phương pháp chụp ảnh hiển vi điện tử quét (SEM)
Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope) là thiết bị dùng để chụp ảnh vi cấu trúc bề mặt với độ phóng đại gấp nhiều lần so với kính hiển vi quang học, vì bước sóng của chùm tia điện tử rất nhỏ so với bước sóng ánh sáng của vùng khả kiến. Nó là một trong những kĩ thuật phân tích tiện lợi nhất cho phép nhìn trực quan cấu trúc của bề mặt mẫu được phóng đại.
=
=
=
=
= b c , α β γ a
Hình 2.5. Tương tác của chùm tia điện tử vật rắn
Hình 2.6. Sơ đồ nguyên lí kính hiển vi điện tử quét
Nguyên lí hoạt động: dựa vào sự thay đổi biên độ quét và ảnh tạo ra là do việc thu các điện tử, các tín hiêu thoát ra bề mặt mẫu khi có chùm điện tử chiếu tới. Điện tử được tăng tốc nhờ điện trường đạt vận tốc v tương ứng với bước sóng De Broglie: � =
Chùm điện tử bị tán xạ mạnh khi đi vào trường thế biến thiên đột ngột do đám mây điện tử mang điện tích âm và hạt nhân nguyên tử mang điện tích dương gây ra. Mỗi nguyên tử trở thành tâm tán xạ và bài toán nhiễu xạ đối với vật rắn cũng được giải quyết tương tự như trường hợp nhiễu xạ tia X.
Nguyên tắc: tạo ra một chùm tia điện tử rất mảnh và điều khiển chùm tia này quét theo hàng và
theo cột một diện tích rất nhỏ trên bề mặt mẫu để thu được hình ảnh bề mặt hoặc có thể chỉ tại một điểm để phân tích thành phần mẫu tại điểm đó.
Khi dây điện trở ở súng điện tử được nung nóng, chùm tia điện tử phát xạ đi qua các thấu kính từ hội tụ lên bề mặt mẫu, các điện tử sẽ tương tác với vật chất và bị tán xạ. Bề mặt mẫu sẽ phát ra nhiều loại tia như các điện tử thứ cấp, tia X, điện tử Auger, điện tử tán xạ ngược… Tín hiệu thu được thông qua bộ thu chuyển thành tín hiệu điện và được khuếch đại cho ta hình ảnh của bề mặt mẫu.Những máy SEM hiện đại có thể đạt tới độ phân giải 30
Å, độ sắc theo chiều sõu tới 35 àm cựng với độ phúng đại lờn tới hàng trăm nghìn lần.
Hình ảnh hình thái bề mặt và cấu trúc hình học của các màng sau khi được quan sát bằng kính hiển vi điện tử quét sẽ sử dụng phần mềm Image xác định kích thước hạt và fit hàm phân bố kích thước bằng phần mềm Origin.
Phép đo này được thực hiện trên kính hiển vi điện tử quét SEM S4800- NHE tại Viện vệ sinh dịch tễ Trung ương và trường Đại học Khoa học tự nhiên Hà Nội.
2. Phương pháp khảo sát độ truyền qua quang
Phương pháp đo độ truyền qua quang học dùng để khảo sát tính chất quang của mẫu. Độ rộng vùng cấm có thể xác định được từ phổ truyền qua quang học.
Vùng phổ UV-Vis được xác định từ khoảng 180-3200nm. Nguồn gốc của sự hấp thụ trong vùng này chủ yếu là sự tương tác của các photon của bức xạ với các ion hay phân tử của mẫu. Sự hấp thụ chỉ xảy ra khi có sự tương ứng giữa năng lượng photon và năng lượng các điện tử ngoài cùng hấp thụ. Kết quả hấp thụ là có sự biến đổi năng lượng điện tử của phân tử.
Nguyên lí đo phổ hấp thụ hay phổ truyền qua dựa trên sự hấp thụ hay truyền qua của ánh sáng trong vùng phổ UV-Vis của mẫu.
Độ truyền quang T được tính bởi công thức: hay Độ hấp thụ A được xác định:
Trong đó Io là cường độ của chùm sáng song song, chiếu thẳng góc tới bề
Đường biểu diễn sự phụ thuộc của độ truyền qua quang học theo giá trị của bước sóng gọi là phổ truyền qua quang học. Phép đo này được thực hiện bởi máy quang phổ UV-VIS-NIR tại khoa Vật lí – Trường Đại học Sư phạm Hà nội.
4. Phương pháp đo điện bằng đồng hồ keithley 2000 ghép nối máy tính (I-V)
Phương pháp đo điện dùng để khảo tính chất điện của vật liệu.
Nguyên lí đo: Giả sử vật liệu cần khảo sát có điện trở Rm, theo định luật Ohm nếu biết Um và Im ta sẽ xác định được giá trị điện trở. Dựa trên cơ sở đó, mạch được sử dụng để xác định Rm có dạng như hình 2.5. Với giá trị Rs
đã biết, Rm sẽ được xác định.
Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lí mạch đo điện.
Hệ đo gồm có đồng hồ keithley 2000 sử dụng 2 kênh CH1 và CH2. Vật liệu có điện trở Rm mắc nối tiếp với Rs đã biết. Độ chênh lệch điện áp Um
giữa hai đầu điện trở Rm được xác định thông qua kênh CH2. Độ chênh lệch điện áp Us giữa hai đầu điện trở Rs được xác định thông qua kênh CH1, với giá trị Rs đã biết thì cường độ dòng I chạy qua Rm được xác định. Các giá trị Um và I đo được sẽ hiển thị trên phần mềm vẽ I-V. Đường đặc trưng I-V được vẽ lại và phân tích bằng phần mềm origin. Hệ đo được trình bày trong hình 2.8.
Hình 2.8: Hệ đo điện bằng đồng hồ Keithley 2000 ghép nối máy tính.
(1) Bộ nguồn.
(2) Rs
(3) Mẫu (Rm)
(4) Đồng hồ Keithley 2000
(5) Máy tính