XRD (X-Ray Difraction) hay còn gọi là nhiễu xạ tia X là thiết bị sử dụng phổ nhiễu xạ tia X để xác định thành phần cấu trúc, pha tinh thể hay xác định gần đúng kích thước hạt tinh thể.
Bước sóng đặc trưng của tia X thường nằm trong khoảng 1Å (ví dụ của đồng là 1.5406 Å). Bước sóng này nhỏ hơn hoặc cùng thứ bậc với khoảng cách giữa các mặt mạng tinh thể, cho nên khi chiếu một chùm tia X song song hẹp, đơn sắc vào bề mặt mẫu chúng ta sẽ nhận được hình ảnh nhiễu xạ của tia X với mặt mạng tinh thể. Bằng cách sử dụng mẫu và đầu thu được quay trên đường tròn đồng tâm để ghi lại cường độ chùm tia phản xạ và phổ nhiễu xạ bậc 1 (n = 1). Phổ nhiễu xạ sẽ là sự phụ thuộc của cường độ nhiễu xạ vào 2 lần góc nhiễu xạ (2θ). Đối với các mẫu màng mỏng, cách thức thực hiện có một chút khác, người ta chiếu tia X tới dưới góc rất hẹp (để tăng chiều dài tia X tương tác với màng mỏng, giữ cố định mẫu và chỉ quay đầu thu (xem hình 2.7).
Công thức cơ bản sử dụng trong nhiễu xạ tia X là phương trình Bragg, phương trình này mô tảđịnh luật nhiễu xạ tia X (xem hình 2.8).
λ
θ n
dhkl sin =
2 (2.1)
trong đó:
dhkl là khoảng cách giữa hai mặt mạng liền kề ( với chỉ số (hkl) đặc trưng cho đối xứng mạng )
θ là góc nhiễu xạ
λ là bước sóng tia X sử dụng
n =1, 2, 3,… là bậc nhiễu xạ
Thông thường trong thực nghiệm chỉ nhận được nhiễu xạ bậc một ứng với n = 1. Vì với bậc nhiễu xạ lớn hơn thì tín hiệu rất yếu.
Hình 2.6. Hiện tượng nhiễu xạ tia X trên mặt mạng tinh thể
Phương trình Bragg là phương trình cơ bản để nghiên cứu cấu trúc mạng tinh thể. Mỗi một tinh thể được tạo bởi một chất nào đó đều có hằng số mạng và kiểu đối xứng riêng và do đó cũng có một giản đồ nhiễu xạđặc trưng cho chất đấy. Ngược lại, khi có giản đồ nhiễu xạ chúng ta cũng có thể suy ngược ra dạng tinh thể của nó. Dựa vào nguyên tắc trên, có thể có 2 cách tiếp cận để phân tích giản đồ nhiễu xạ.
-Lý thuyết: Từ vị trí các đỉnh nhiễu xạ có thể xác định được hằng số mạng và các kiểu đối xứng của nó thông qua định luật Bragg và các phép tính toán khác. Như vậy về mặt nguyên tắc, khi đã biết những thông tin đó, chúng ta có thể tái hiện lại “hình ảnh” của tinh thể. Đối chiếu với các tinh thể trong tự nhiên chúng ta sẽ biết tinh thểđó là gì
- Thực nghiệm: Bằng thực nghiệm trên các mẫu chuẩn, chúng ta có thể xây dựng giản đồ nhiễu xạ cho các mẫu này. Khi có giản đồ nhiễu xạ của một chất mà ta chưa biết thì ta chỉ việc so sánh nó với thư viện phổ chuẩn, nếu trùng với chất chuẩn thì tinh thể của chất cần tìm sẽ cùng loại với tinh thể có trong thư viện phổ chuẩn.
Đối với hầu hết các vật liệu với chiều dày nhỏ (<1μm) và các màng đa lớp thì việc thực hiện phép đo gặp nhiều khó khăn do tín hiệu yếu và ảnh hưởng của vật liệu đế. Để khắc phục vấn đề này các phép đo thường được thực hiện với góc tia tới nhỏ.
Bằng cách sử dụng giản đồ phổ nhiễu xạ ta có thể tính gần đúng kích thước hạt tinh thể dựa theo công thức Sherrer:
θ β λ τ cos . 9 . 0 = g (2.2) trong đó: τg : là kích thước hạt tinh thể
β : là độ bán rộng phổ ( tính theo radian ) của đỉnh nhiễu xạ
θ : là góc nhiễu xạ tia X
λ : là bước sóng tia X sử dụng
Từ công thức trên ta thấy nếu phổ nhiễu xạ có độ bán rộng càng lớn thì kích thước của hạt tinh thể càng nhỏ và ngược lại [55, 58, 60, 61].
Các phép đo thực nghiệm nhiễu xạ tia X đối với màng mỏng được nghiên cứu trong luận văn này được tiến hành trên máy XRD D8 Advance-Bruker (Đức) đặt tại Phòng Thí nghiệm Công nghệ micro-nano, Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN.