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.
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 2.5).
Hình 2.5. Sự tán xạ của chùm tia X trên các mặt phẳng tinh thể
Sản phẩm Fe3O4/BaTiO3
Lọc, rửa và sấy ở 110oC/24h Hỗn hợp Fe3O4 trong C2H5OH
(rung siêu âm phân tán hạt)
Dung dịch BaCl2 + TiCl3 Kết tủa
Sản phẩm thô
Thủy phân nhiệt Nhỏ một lượng KOH
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 ả nh 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 2.6 là sơ đồ của thiết bị nhiễu xạ tia X.
Tia X đươ ̣c ph át ra do sự tương tác giữa điện tử năng lượng cao và bia kim loa ̣i . 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.
Hình 2.6. Sơ đồ thiết bị nhiễu xạ tia X
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 luận văn 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 đư ợc sử dụng là các bức xa ̣ của kim loa ̣i CuKα vớ i bước sóng λ = 0.154 nm (xem hình 2.7).
Hình 2.7. Thiết bị đo X-ray D8 Advance Brucker