Theo lý thuyết cấu tạo tinh thể, mạng tinh thể được xây dựng từ các nguyên tử hay ion phân bố đều đặn trong không gian theo một trật tự nhất định. Khi chùm tia X tới bề mặt tinh thể và đi sâu vào bên trong mạng lưới tinh thể thì mạng lưới này đóng vai trò như một cách tử nhiễu xạ đặc biệt. Các nguyên tử, ion bị kich thich bởi chùm tia X sẽ thành các tâm phát ra các tia phản xạ. Mặt khác, các nguyên tử, ion này được phân bố trên các mặt phẳng song song.
Mối liên hệ giữa độ dài khoảng cách hai mặt phẳng song song (d), góc giữa chùm tia X và mặt phẳng phản xạ (θ) và bước sóng (λ) được biểu thị bằng hệ phương trình Vulf – Bragg :
17
2dsinθ = nλ
Phương trình Vulf-Bragg là phương trình cơ bản nghiên cứu cấu trúc tinh thể.
Từ hệ thức Vulf-Bragg có thể nhận thấy góc phản xạ tỉ lệ nghịch với d hay khoảng cách giữa hai nút mạng. Đối với vật liệu vi mao quản khoảng cách hai lớp cỡ vài chục nguyên tử nên góc quét 2θ thường > 5 độ, tuy nhiên đối với vật liệu MQTB kich thước >
20 Å, nên góc quét 2θ thường từ 0,5 độ trở lên.
Đối với vật liệu MQTB có đối xứng lục lăng (hexagonal), mức độ trật tự của cấu trúc có thể được đánh giá bằng XRD góc nhỏ. Hình 2.1 minh họa mối liên quan giữa mức độ trật tự của cấu trúc và phổ nhiễu xạ tia X. Các pic tương ứng với chỉ số Miller (100), (110), và (200) xuất hiện ở vùng 2θ nhỏ, trong đó pic (100) đặc trưng MQTB có đối xứng lục lăng, (110) và (200) đặc trưng cho mức độ trật tự của vật liệu.
Hình 2.1. Minh hoạ cấu trúc lục lăng của vât liệu theo XRD [6]
b. Ứng dụng
Phổ nhiễu xạ tia X của các mẫu được đo trên nhiễu xạ kế Brucker D8 Advance với ống phát tia X của Cu có bước sóng λCuKα = 1,5406 Å, công suất 40 kV, dòng 40 mA.
Góc quét từ 0,5 đến 10o với góc nhỏ; 5 đến 60o với góc lớn. Góc mỗi bước quét là 0,008o và thời gian mỗi bước quét 0.6 giây.
2.3.2. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electron Microscopy, TEM)
Các thông tin về hình ảnh cụ thể của vật liệu (topographic) có thể được quan sát qua TEM ở mức độ phân giải nguyên tử (Atomic resolution).
Nguyên tắc: Sử dụng chùm điện tử có năng lượng cao chiếu xuyên qua mẫu vật rắn mỏng và sử dụng các thấu kinh từ để tạo ảnh với độ phóng đại lớn (có thể tới hàng triệu lần), ảnh có thể tạo ra trên màn huỳnh quang, trên film quang học hay ghi nhận bằng các máy chụp kỹ thuật số.
Kinh hiển vi điện tử truyền qua hoạt động trên nguyên tắc giống thấu kinh hiển vi quang học, chỉ khác là sử dụng sóng điện tử (thay cho bước sóng ánh sáng) nên có bước sóng rất ngắn và sử dụng các thấu kinh điện từ - magnetic lens (thay cho thấu kinh quang học).
Điện tử được phát ra từ súng phóng điện tử. Có hai cách để tạo ra chùm điện tử.
Cách thứ nhất sử dụng nguồn phát xạ nhiệt điện tử: Điện tử phát xạ nhiệt, phát ra do năng lượng nhiệt đốt nóng ca tốt (thường dùng sợi tungsten, Wolfram, LaB6...); hoặc đầu phát xạ trường (field emission gun). Năng lượng nhiệt do đốt nóng sẽ cung cấp cho điện tử động năng để thoát ra khỏi liên kết với kim loại. Do bị đốt nóng nên súng phát xạ nhiệt thường có tuổi thọ không cao và độ đơn sắc của chùm điện tử thường kém. Nhưng ưu điểm của nó là rẻ và không đòi hỏi chân không siêu cao. Cách thứ hai sử dụng súng phát xạ trường.
Điện tử phát ra từ catốt nhờ một điện thế lớn đặt vào, vì thế nguồn phát điện có tuổi thọ rất cao, cường độ chùm điện tử lớn và độ đơn sắc rất cao, nhưng có nhược điểm là đắt tiền và đòi hỏi môi trường chân không siêu cao.
Thực nghiệm: Mẫu được đo trên máy Philips Tecnai-10 microscope, độ phân giải kich thước nguyên tử, điện áp 100 KV. Mẫu được trộn với epoxy và cắt thành từng mẩu nhỏ cỡ micro sau đó được đưa lên lưới đồng có phủ màng cacbon.
2.3.3. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscopy, SEM)
Nguyên tắc: Sử dụng chùm tia electron để tạo ảnh mẫu nghiên cứu. Ảnh đó khi đến màn huỳnh quang có thể đạt độ phóng đại theo yêu cầu.
Chùm tia electron được tạo ra từ catôt (súng điện tử) qua 2 tụ quang sẽ được hội tụ lên mẫu nghiên cứu. Chùm electron này được quét đều trên mẫu. Khi chùm electron đập vào mẫu, trên bề mặt mẫu phát ra các electron phát xạ thứ cấp. Mỗi một electron phát xạ
19
này qua điện thế gia tốc vào phần thu và biến đổi sẽ biến thành một tin hiệu ánh sáng, chúng được khuếch đại, đưa vào mạng lưới điều khiển tạo độ sáng tối trên màn ảnh. Mỗi điểm trên mẫu nghiên cứu cho một điểm tương ứng trên màn ảnh. Độ sáng tối trên màn ảnh tùy thuộc lượng electron thứ cấp phát ra và tới bộ thu, và phụ thuộc vào hình dạng bề mặt của mẫu nghiên cứu. Đặc biệt do có khả năng hội tụ chùm tia nên chùm electron có thể đi sâu vào trong mẫu, cho phép nghiên cứu cả phần bên trong của vật chất.
Hiển vi điện tử quét thường được sử dụng để nghiên cứu kich thước và hình dạng tinh thể vật chất do khả năng phóng đại và tạo ảnh của mẫu rất rõ nét và chi tiết.
Thực nghiệm: Trong luận văn này, ảnh hiển vi điện tử được ghi trên máy JEOL JSM 5300 LV.