CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM TỔNG HỢP HỆ VẬT LIỆU ÁP ĐIỆN
2.1. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1.2. Các phương pháp phân tích cấu trúc, vi cấu trúc và đánh giá chất lượng của mẫu
Cấu trúc tinh thể và thành phần hóa học của vật liệu được phân tích thông qua giản đồ nhiễu xạ tia X (đo trên thiết bị D8-Advanced, BRUKER AXS tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội).
Các tham số mạng được tính toán bằng phần mềm PowderCell [56] trên cơ sở số liệu thực nghiệm với sai số 0, 0001 Å. Phương pháp tính như sau.
Trước hết, xây dựng mô hình của một ô cơ sở (đối xứng tứ giác hoặc mặt thoi). Với hệ tứ giác, nhóm đối xứng không gian là P4mm, các thông số đầu vào được chọn là a b 3, 9945 Å, c 4, 0335 Å. Với hệ mặt thoi thuộc nhóm đối xứng không gian P3m, các thông số đầu vào được chọn là
4, 0090 Å
a b c , 89,8800o. Từ các thông số của ô cơ sở này, phần mềm sẽ xây dựng một phổ mô phỏng, sau đó làm khớp phổ mô phỏng với phổ thực nghiệm. Quá trình này diễn ra nhiều lần, sau mỗi lần như vậy các thông số mạng tự động thay đổi cho đến khi phổ mô phỏng trùng với phổ thực nghiệm. Kết quả cuối cùng được lấy làm thông số mạng của tinh thể.
Đối với vật liệu pha tạp ZnO có cấu trúc nano, bên cạnh giản đồ nhiễu xạ tia X, chúng tôi còn thực phép phân tích phổ tán xạ Raman trên hệ đo LABRAM-1B của hãng Horiba Jobin-Yvon tại Viện Khoa học Vật liệu – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam (cấu hình tán xạ ngược kích thích bởi chùm LASER Ar bước sóng 448 nm, công suất 11 mW) để nghiên cứu tác động của tạp đến cấu trúc và tính chất của vật liệu.
Để nghiên cứu hình thái bề mặt của vật liệu, mẫu sau thiêu kết được xử lý bề mặt bằng ăn mòn hóa học bởi dung dịch chứa 95 mL H O2 , 4 mL HCl (32%) và 1 mL HF (40%) [89], sau đó rửa sạch bằng sóng siêu âm. Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) của các mẫu được ghi nhận bằng thiết bị Nova NanoSEM 450FEI (Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội). Để đánh giá cỡ hạt, chúng tôi sử dụng phần mềm ImageJ phân tích ảnh vi cấu trúc của vật liệu [3], [89]. Hình 2.1 là sơ đồ mô tả quá trình xử lý ảnh SEM 2 chiều (2D) bằng phần mềm ImageJ.
Hình 2.1. Xử lý ảnh SEM 2D bằng phần mềm ImageJ
Quá trình này gồm hai bước. Đầu tiên là thiết lập tham số đơn vị đo phù hợp với tỷ lệ xích trên ảnh. Trong bước thứ hai, biên của các hạt sẽ được nhận diện thông qua các công cụ nhận dạng của chương trình. Tuy nhiên, quá trình xử lý này khá phức tạp và đôi khi đòi hỏi phải thiết lập đúng phương pháp nhận dạng mới có thể đạt được kết quả chính xác.
Ảnh SEM 2D Ngưỡng nhận dạng Thiết lập thang đo
Thiết lập phép đo
Phân bố cỡ hạt Các tham số khác Phân tích
Hình 2.2 minh họa kết quả xử lý ảnh vi cấu trúc của vật liệu bằng chương trình ImageJ.
Hình 2.2. Kết quả xử lý ảnh bằng ImageJ: ( )a Ảnh SEM ban đầu, ( )b Ảnh đã xử lý bằng công cụ nhận dạng, ( )c Ảnh nhận dạng sau khi loại nhiễu, ( )d Các vùng phân bố hạt
Chương trình ImageJ, sau khi xử lý và phân tích ảnh, cho phép truy xuất dữ liệu về đại lượng cần quan tâm, ở đây là cỡ hạt, từ đó làm khớp số liệu với hàm Gauss. Kết quả là xác định được sự phân bố cỡ hạt.
Hình 2.3 minh họa sự phân bố cỡ hạt đối với thành phần x 0, 48.
0 15 30 45 60 75
0 10 20 30
40 0,48BZT
TÇn suÊt
Đường làm khớp Gauss
TÇn suÊt
Kích thước hạt (m)
Hình 2.3. Sự phân bố cỡ hạt của mẫu 0,48BZT
Kớch thước hạt thay đổi trong khoảng (5 75) àm và tập trung ở đỉnh hàm Gauss (29, 2 m ). Bên cạnh đó, chúng tôi còn sử dụng phương pháp cắt tuyến tính (chương trình Lince) để tính toán kích thước hạt trung bình của vật liệu, qua đó có thể so sánh kết quả tính toán cỡ hạt bằng hai phương pháp (kích thước hạt trung bình của thành phần x 0, 48 tính bằng chương trình Lince là 32, 4 m ). Có sự phù hợp tốt trong kết quả giữa hai phương pháp.
Tỷ trọng của vật liệu có thể dùng để đánh giá ban đầu về khả năng thiêu kết vật liệu. Về nguyên tắc, tỷ trọng của vật được tính khi biết khối lượng và kích thước (để xác định thể tích) của nó. Tuy nhiên, với các vật thể có dạng hình học phức tạp, thì rất khó để xác định tỷ trọng theo cách này. Vì vậy, phương pháp Achimede được sử dụng. Theo đó, tỷ trọng, , của vật liệu được xác định bởi biểu thức
k ,
c
k c
m
m m
(2.1)
trong đó, mk là khối lượng của mẫu khi cân trong không khí, mc là khối lượng của mẫu khi cân trong chất lỏng có tỷ trọng c. Các phép đo khối lượng được thực hiện trên cân điện tử Denver Instrument M-120 có độ chính xác đến 0,1 mg.