Phương pháp nhiễu xạ tia X được sử dụng phổ biến nhất để nghiên cứu cấu trúc tinh thể của các vật liệu. Từ giản đồ nhiễu xạ tia X có thể xác định được các pha tinh thể, đồng thời có thể sử dụng để xác định tương đối về lượng pha và kích thước tinh thể. Tia X là sóng điện từ có bước sóng trong khoảng 10 nm đến 100 pm. Tia X có khả năng xuyên qua nhiều vật chất và cơ thể người nên có thể được sử dụng trong y học, cũng như khoa học nói chung.
Khi bước sóng của bức xạ lớn hơn rất nhiều so với hằng số mạng thì sẽ gây ra hiện tượng khúc xạ quang học thông thường, khi đó ta không thể khảo sát được cấu trúc tinh thể của vật liệu. Nếu bước sóng của bức xạ tới bằng hoặc nhỏ hơn hằng số mạng của tinh thể thì khi đó sẽ xuất hiện hiện tượng nhiễu xạ. Bước sóng của tia X có cùng bậc với khoảng cách giữa các nguyên tử trong mạng tinh thể, vì vậy, khi chùm tia X đến và bị tán xạ trên các nút mạng tinh thể, các tia tán xạ có thể giao thoa với nhau và tạo thành các cực đại nhiễu xạ có thể quan sát được. 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.
Xét một chùm tia X có bước sóng λ 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 giống như các cách tử nhiễu xạ và tạo ra hiện tượng nhiễu xạ của các tia X (hình 2.11).
Hình 2.11. Sự tán xạ của ch m tia trên các mặt ph ng tinh thể
Nếu ta quan sát các chùm tia tán xạ theo phương phản xạ (bằng góc tới) thì hiệu quang trình giữa các tia tán xạ trên các mặt là:
sin . . 2d L
Với các sóng phản xạ từ những mặt phẳng Bragg thoả mãn điều kiện của sóng kết hợp: cùng tần số, cùng phương, có độ lệch pha không đổi theo thời gian thì xảy ra hiện tượng giao thoa. Như vậy, để có cực đại nhiễu xạ trên phim ảnh thì góc tới phải thỏa mãn điều kiện:
L2.d.sin n.
trong đó: n = 1, 2,3,...
Công thức trên là công thức Bragg mô tả hiện tượng nhiễu xạ tia X trên các mặt tinh thể. Biểu thức này cho thấy rằng với một mạng tinh thể có khoảng cách d giữa các mặt tinh thể cố định và chùm tia X có bước sóng không đổi, sẽ tồn tại nhiều giá trị góc θ thỏa mãn định luật Bragg. Kết quả là trên phổ nhiễu xạ sẽ xuất hiện của các đỉnh nhiễu xạ tại các góc θ khác nhau. Hình 2.12 là sơ đồ của thiết bị nhiễu xạ tia X.
Tia X được phát ra do sự tương tác giữa điện tử năng lượng cao và bia kim loại. Ống phát tia X gồm hai điện cực. Anốt làm bằng kim loại nguyên chất, catốt làm bằng sợi vonfram. Điện tử phát ra từ catốt được tăng tốc đập vào anốt tạo thành tia X. Anode được làm mát bằng nước. Bên trong ống thuỷ tinh là môi trường chân không cao để tránh hiện tượng phóng điện và oxy hoá sợi đốt. Tia X phát ra từ mặt anốt đi ra ngoài ống qua cửa sổ có tấm beryli mỏng hàn kín với ống thuỷ tinh, tấm beryli nhẹ nên tia X dễ xuyên qua ít bị hấp thụ và đủ ngăn được không khí không lọt vào ống.
Hình 2.12. Sơ đồ thiết bị nhiễu xạ tia X
Hình 2.13 là sơ đồ nhiễu xạ tia X sử dụng detector để thu ảnh nhiễu xạ của mẫu bột. Một chùm tia X song song chiếu vào mẫu, trong cấu hình này thì cả mẫu và đầu thu đều quay (mẫu quay góc θ thì đầu thu sẽ quay góc 2θ).
Hình 2.13. Sơ đồ nhiễu xạ tia X sử dụng detector để thu ảnh nhiễu xạ
Trong cấu hình đo mẫu màng mỏng, tia X đến mẫu dưới góc rất hẹp để tăng chiều dài tia X tương tác với màng. Trong cấu hình này, mẫu được giữ cố định trong khi đầu thu quay.
Sử dụng phổ nhiễu xạ tia X người ta cũng có thể ước tính được kích thước của hạt tinh thể dựa trên phương trình Scherrer :
cos . 9 . 0 B D
trong đó: D là kích thước tinh thể hạt, là góc nhiễu xạ tia X, B (rad) là độ bán rộng phổ, là bước sóng chùm tia X.
Từ phương trình trên, chúng ta thấy nếu vạch phổ có độ bán rộng càng lớn thì chứng tỏ kích thước của hạt tinh thể càng nhỏ và ngược lại.
Các nghiên cứu về cấu trúc tinh thể của mẫu trong khóa luận tốt nghiệp này được thực hiện trên thiết bị nhiễu xạ tia X - XRD D8 Advance (Bruker, Đức) tại Phòng thí nghiệm Công nghệ micro và nano, trường Đại học Công nghệ. Nguồn phát tia X được sử dụng là các bức xạ của kim loại CuKα với bước sóng λ = 0.154 nm (xem hình 2.14).
Hình 2.14. Thiết bị đo X-ray D8 Advance Brucker
Phương pháp nhiễu xạ tia X nhiều ưu điểm như: mẫu không bị phá huỷ, có thể thực hiện phép đo nhanh. Bên cạnh đó cũng có nhược điểm như giá thành cao.