CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ MoS 2 VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ VẬT LIỆU
2.3 Các phương pháp đánh giá vật liệu
2.3.1 Nhiễu xạ tia X (X-ray diffraction – XRD)…
Trang 44
Nhiễu xạ là một đặc điểm chung của tất cả cac loại sóng, có thể xem nhiễu xạ là sự thay đổi phương truyền của tia sáng hoặc do gặp chướng ngại vật hoặc do sự xuyên sâu của bức xạ điện từ vào tinh thể có cấu trúc tuần hoàn.
b) Nhiễu xạ tia X (X-ray Diffraction – XRD):
** Khái niệm:
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 [192].
** Cơ chế:
Quá trình xác định cường độ nhiễu xạ được tiến hành bởi ba bước: nhiễu xạ tia X bởi electron tự do, nhiễu xạ tia X bởi nguyên tử bằng cách sử dụng kết quả tán xạ bởi một electron và nhiễu xạ tia X bởi ô mạng cơ bản (nhiễu xạ tinh thể) nhờ sử dụng kết quả tán xạ bởi một nguyên tử.
Trước hết, ta coi rằng nguyên tử là độc lập. Nếu chiếu một chùm tia X tới nguyên tử, thì các electron trong nguyên tử sẽ dao động quanh vị trí cân bằng. Khi electron bị hãm (mất năng lượng), nó sẽ phát sinh tia X. Quá trình hấp thụ và tái bức xạ electron này họi là tán xạ.
Sử dụng khái niệm photon, ta có thể nói rằng photon tia X bị hấp thụ bởi nguyên tử thì có một photon khác phát ra với cùng mức năng lượng. Khi không có sự thay đổi năng lượng giữa photon tới và photon phát ra, ta nói bức xạ là tán xạ đàn hồi. Nếu photon bị mất năng lượng thì là tán xạ không đàn hồi [193].
Tán xạ bởi một electron:
Mặc dù tia X bị tán xạ bởi electron theo mọi hướng khác nhau, nhưng J.Thomson đã chứng minh được là cường độ tán xạ tia X bởi một electron tại khoảng cách r (khoảng cách giữa electron tán xạ và đầu dò) và có khối lượng M phụ thuộc vào góc tán xạ.
Người ta còn chứng minh được rằng năng lượng tán xạ từ một electron là rất nhỏ.
Trang 45
Tán xạ bởi một nguyên tử:
Nguyên tử bao gồm hạt nhân mang điện tích dương và các electron mang điện tích âm bao quanh, do vậy khi tia X chiếu tới nguyên tử, nó sẽ bị tán xạ bởi cả hạt nhân và các electron.
Tuy nhiên do khối lượng hạt nhân rất lớn so với khối lượng electron, nên tán xạ toàn phần trên một nguyên tử chủ yếu là do tán xạ bởi tất cả các electron riêng biệt.
Nhiễu xạ bởi tinh thể:
Trong tinh thể, các nguyên tử được sắp xếp trật tự ở những nút mạng. Khi tia X chiếu tới vật rắn tinh thể, do nó có độ dài cỡ khoảng cách giữa các mặt mạng tinh thể, nên ta thấy xuất hiện các tia nhiễu xạ với cường độ và hướng khác nhau. Hướng nhiễu xạ phụ thuộc vào bước sóng của tia X chiếu tới và bản chất của tinh thể.
Khi chiếu chùm lên mạng tinh thể, mỗi nút mạng tinh thể trở thành một tâm nhiễu xạ. Nhưng để thuận tiện, người ta xem mặt nhiễu xạ là “mặt phản xạ” và tia nhiễu xạ là “tia phản xạ”.
Các tia tới và tia phản xạ giao thoa nhau tạo nên các vân sáng và tối xen kẽ nhau.
Trong đó, các cực đại nhiễu xạ được xác định theo công thức Vulf – Bragg [193].
** Điều kiện nhiễu xạ tia X – Định luật Bragg [194]:
Hình 2.27 - Sơ đồ nhiễu xạ tia X bởi tinh thể.
Trang 46
Chiếu một chùm tia X song song và đơn sắc (có λ xác định) lên một tinh thể dưới góc trượt θ đối với một họ mặt mạng nào đó. Chùm tia X sẽ phản xạ trên các mặt thuộc cùng họ đó dưới cùng góc θ (như hình vẽ trên)
Công thức Vulf – Bragg (điều kiện nhiễu xạ):
* Ta có: EF = d.sin θ; DE = d.sin θ
* Hiệu quang lộ của hai tia là : DE + EF = 2.d.sinθ
* Khi hiệu quang lộ là một số nguyên lần bước sóng thì các tia phản xạ từ họ mặt mạng của tinh thể được tăng cường tức là có hiện tượng nhiễu xạ.
Định luật Bragg: n.λ = 2.d.sinθ
Trong đó: n = 1, 2, 3,…(định luật Bragg) là bậc cực đại cường độ nhiễu xạ (phản xạ).
d: là khoảng cách giữa hai mặt mạng tinh thể (hkl).
λ là bước sóng của chùm tia X.
Định luật này đã thể hiện mối quan hệ giữa bước sóng của tia X, khoảng cách giữa các mặt phẳng tinh thể dhkl và góc của cá tia nhiễu xạ. Nếu định luật Bragg không thỏa mãn thì sự giao thoa thực chất sẽ không xảy ra vì cường độ nhiễu xạ thu được sẽ rất nhỏ.