Chúng tôi tiến hành chụp mẫu thạch anh tím với các bước chuẩn bị thực nghiệm như sau: thời gian chụp 15 phút, khoảng cách D = 4.5 cm, hiệu điện thế 70kV, cường độ dòng điện 8mA. Kết quả thu được phim như hình 5.8 a) bên dưới.
Hình 5.8Ảnh Laue của tinh thể thạch anh tím tự nhiên
Dựa trên phim 5.8a) ta thấy các vết nhiễu xạ sắp xếp thành dạng đường cong với hai cánh hoa phía bên phải đối với tâm phim rõ và lớn hơn cánh còn lại ở phía bên trái tâm phim. Để đưa các vết về dạng đối xứng phân bố đều thành dạng hoa ba cánh, cần phải quay mặt cong 1 ngược chiều kim đồng hồ. Từ nhận xét trên, chúng tôi tiến hành xử lý mẫu theo các bước minh họa trên hình 5.9
Chọn các vết nhiễu xạ trên ba đường cong dạng elip. Scan các vết nhiễu xạ trên phim sang giấy dầu mỏng.
91
HDKH: TS. Trần Quang Trung
Đo các khoảng cách từ các vết nhiễu xạ tới tâm phim. Xác định góc theta trong mỗi trường hợp
Dựng hình chiếu của các vết nhiễu xạ trên lưới Wulf.
Xác định hình chiếu mỗi trục vùng và xác định góc quay cần thiết.
Hình 5.9 Minh họa xử lý phim 5.8a)
Hình chiếu trục vùng của các cánh hoa trên lưới Wulf ứng với các cánh hoa lần lượt là 100, 100, 60 . Trục vùng cách tâm S0 không đều so với hai trục còn lại nên cánh hoa (có hình chiếu là đường vùng) ứng với trục này nhỏ hơn.
Góc quay cần xác định là 40 đối với mặt cong 1 ngược chiều kim đồng hồ. Chụp lại mẫu và thu được kết quả như phim 5.10b) trong hình 5.10.
Hình 5.10 Hình chụp Laue của tinh thể thạch anh tím bậc ba
Từ phim 5.10b) ta thấy vết nhiễu xạ phân bố dạng các cánh hoa nhưng chưa đều cần phải tinh chỉnh.
Cánh hoa bên trái so với tâm phim hơi nhỏ hơn hai cánh còn lại, dùng mặt cong 1 đều chỉnh cùng chiều kim đồng hồ 20 và chụp lại mẫu phim trên, kết quả thu được như phim 5.10c).
92
HDKH: TS. Trần Quang Trung
Mẫu phim 5.10c) thể hiện tính đối xứng bậc ba với các vết nhiễu xạ phân bố đều trên các cánh hoa.
Như vậy, chúng tôi đã xác định được đúng bậc đối xứng của mẫu tinh thể thạch anh tím tự nhiên là đối xứng bậc ba.
5.1.2.1 Thạch anh trắng
Chúng tôi tiếp tục khảo sát mẫu tinh thể đá quý thạch anh trắng tự nhiên. Dựa vào hình dạng đối xứng bên ngoài, chúng tôi cắt mẫu vuông góc với trục phát triển của tinh thể theo định hướng đối xứng cao nhất, sau đó cắt thêm mẫu với định hướng dựđoán theo đối xứng bậc hai.
9 Xác định bậc đối xứng cao nhất của thạch anh trắng
- Trước hết, chúng tôi chụp ảnh Laue đầu tiên của tinh thể thạch anh trắng với định hướng đối xứng cao nhất theo hình dạng bên ngoài của tinh thể cần khảo sát (dạng ngoài sáu phương). Với các điều kiện chụp (hiệu điện thế và dòng điện) không đổi và khoảng cách D = 5cm và thu nhận được ảnh Laue như hình 5.11.
Hình 5.11 ảnh Laue thứ nhất của tinh thể thạch anh trắng
Từ mẫu phim hình 5.11 ta nhận thấy các vết nhiễu xạ chưa phân bốđồng đều nhau đối trên các đường cong. Ảnh chưa thể hiện rõ tính đối xứng. Do đó, chúng tôi tiến hành xử lý mẫu theo các bước được minh họa như hình 5.12
93
HDKH: TS. Trần Quang Trung
Hình 5.12 Minh họa xử lý mẫu phim 5.11
Kết quả xử lý được thể hiện như hình 5.12 với các khoảng cách Ox = 0.9 cm và Oy = 0.2 cm. Dựa vào công thức tính góc theta chúng tôi tính góc cần quay.
0 ' 0.9 tan 2 5 6 5 x x Ox D θ = = → θ = 0 ' 0.2 tan 2 1 9 5 y y Oy D θ = = → θ =
Dựa vào kết luận từ cách quay hai mặt cong, vết đối xứng ở bên trái, phía dưới đối trục Ox. chúng tôi điều chỉnh như sau:
• Mặt cong 2 quay ngược chiều kim đồng 109 ứng với 1 vòng quay của nút vi chỉnh.
• Mặt cong 1 quay 10012 cùng chiều kim đồng hồ ứng với 10 vòng quay của nút vi chỉnh.
Chụp lại phim Laue của mẫu thạch anh trắng (hình 5.13) sau khi tinh chỉnh với góc quay đã được xác định như trên.
94
HDKH: TS. Trần Quang Trung
Hình 5.13 ảnh Laue thứ nhất và hai của tinh thể thạch anh trắng.
Dựa vào hình Laue thu được như mẫu phim 5.131* chúng ta thu nhận được những thông tin về mẫu như sau:
Các vết nhiễu xạ tròn, đen, phân bố đều tạo thành đường cong kín dạng hoa ba cánh gồm nhiều tầng hoa. Trên phim thu được ba tầng trong đó tầng 1(tính từ trong ra ngoài) thể hiện rõ nhất và tầng 3 các vết mờ hơn.
Các cánh hoa phân bố khá đều nghĩa là hướng của chùm tia X tới gần trùng với pháp của mặt phẳng tinh thể nên mẫu phim thu được có đối xứng cao là đối xứng bậc ba.
Trên nền phim, ta nhận thấy cánh hoa thứ ba tầng 1 bên trái hơn lớn hơn so với hai cánh còn lại. Và cánh thứ ba tầng 3 bị tán xạ nên các vết nhiễu xạ trên tầng này phân bố không rõ.
Để nhìn bao quát các vết nhiễu xạ trên phim, chúng tôi chụp thêm mẫu phim thứ hai với thời gian 20 phút, giảm khoảng cách còn D = 3cm. Ảnh Laue thu được như hình 5.13 2* .
Từ mẫu phim thứ hai ta nhận thấy, các đường cong với kích thước thu nhỏ hơn, dễ dàng nhìn bao quát cách bố trí các vết nhiễu xạ. Cụ thể, cánh hoa thứ 3 tầng 1 sau khi chụp lại có kích thước nhỏ hơn và các vết nhiễu xạđậm hơn do thời
95
HDKH: TS. Trần Quang Trung
gian chụp mẫu tăng lên. Bên cạnh đó, do thời gian chụp tăng lên, vết nhiễu xạ ở tâm tăng bán kính làm che khuất các vết ở gần nó.
Với mong muốn mẫu phim thu được không bị tán xạ các cánh hoa đều nhau, chúng tôi tiến hành chụp thêm mẫu thứ ba sau khi dùng mặt cong 1 điều chỉnh vị trí mẫu so với tia tới. Các quá trình xử lý mẫu phim 5.13 1* tìm góc quay phù hợp được minh họa như hình 5.14.
Hình 5.14 Minh họa xử lý mẫu phim thạch anh trắng 5.131*
Góc lệch giữa các đường vùng (1,3) = 190; (2,3)=190 ; (1,2)=16. Chúng tôi điều chỉnh góc quay 30 trên mặt cong 1 cùng chiều kim đồng hồ. Kết quả thu được thể hiện trên mẫu phim cuối của hình 5.14.
Kết quả thu được cánh hoa tầng ngoài cùng bên phải bị tán xạ tương tự như mẫu phim 1* nhưng ngược phía đối với mẫu phim 1* Kết quả chưa thật sự có đối đều là do các góc khi tinh chỉnh được làm tròn đến một vòng quay tức là có sai số trong phép quay
96
HDKH: TS. Trần Quang Trung
Sai số trong quá trình đo đạc khoảng cách, tính góc theta, xác định hình chiếu...
Do bề mặt mẫu chưa phẳng còn gồ ghề nên chùm tia tới một phần bị tán xạ.
Từđây chúng tôi kết luận rằng, mẫu thạch anh trắng đang nghiên cứu có đối xứng bậc ba, độ kết tinh của tinh thể này tốt do các vết nhiễu xạ đen tròn, phân bố tương đối đều.
9 Xác định tính đối xứng bậc 2 theo yêu cầu nghiên cứu cụ thể của thạch anh trắng
-Trên cơ sở xác định được tính đối xứng cao nhất (bậc 3) của tinh thể thạch anh trắng, chúng tôi tiến hành cưa cắt mẫu tinh thể này theo định hướng đối xứng bậc 2 (cắt mẫu song song với trục chính của tinh thể sinh thành) và xác định ảnh Laue của chúng với các điều kiện (hiệu điện thế và dòng điện) không đổi và khoảng cách D = 5cm và thu nhận được ảnh Laue như hình 5.15.
Hình 5.15 Ảnh Laue của tinh thể thạch anh trắng bậc hai.
Thông tin mà mẫu phim 5.15 mang đến là các vết nhiễu xạ tròn, đều phân bố thành các đường cong sắp xếp đối xứng nhưng chưa thật đều nhau qua tâm S0. Vết đối xứng của các vết nhiễu xạ không trùng với S0 mà lệch về phía dưới.
Dựđoán mẫu tinh thể có đối xứng bậc nhưđịnh hướng lúc cắt mẫu, do mẫu phát triển dị hướng theo các phương nên trục phát triển bị lệch. Để thu nhận được
97
HDKH: TS. Trần Quang Trung
mẫu phim có đối xứng đẹp bậc hai chúng tôi tiến hành xử lý mẫu, tìm góc tinh chỉnh. Thao tác thể hiện như hình 5.16 .
Hình 5.16 Minh họa xử lý phim 5.15
Kết quả xử lý được thể hiện như hình 5.16 với các khoảng cách Ox = 0.75 cm và Oy = 0.75 cm. Dựa vào công thức tính góc theta chúng tôi tính góc cần quay.
0 ' 0.75 tan 2 4 44 4.5 x x Ox D θ = = → θ = 0 ' 0.75 tan 2 4 44 4.5 y y Oy D θ = = → θ =
Dựa vào kết luận từ cách quay hai mặt cong, vết đối xứng ở bên phải, phía dưới đối trục Ox. chúng tôi điều chỉnh như sau:
• Mặt cong 2 quay ngược chiều kim đồng 4044 ứng với 5 vòng quay của nút vi chỉnh.
• Mặt cong 1 quay 9028 ngược chiều kim đồng hồứng với 10 vòng quay của nút vi chỉnh.
Chụp lại phim Laue của mẫu thạch anh trắng (hình 5.17) sau khi tinh chỉnh với góc quay đã được xác định như trên.
98
HDKH: TS. Trần Quang Trung
Hình 5.17 ảnh Laue của đá thạch anh trắng bậc hai sau khi xử lý
Trên phim thể hiện rõ sựđối xứng qua tâm S0, các đường cong chưa thật sự đều nhau nhưng có thể hiện tính đối xứng bậc hai. Với mong muốn thu được ảnh có đối xứng bậc hai đẹp, cánh hoa đều nhau về hai phía qua S0. Chúng tôi cắt lại mẫu theo góc đã xác định trong phần tinh chỉnh, mài mẫu phẳng, bóng và sau đó chụp lại mẫu mới. Kết quả như hình 5.18
Hình 5.18 ảnh Laue của mẫu thạch anh trắng bậc hai
Từ mẫu phim thu được, ta thấy các vết tạo thành các đường cong phân bố đều về hai phía đối với tâm S0, vết nhiễu xạđen, tròn, đều. Các thông tin này cho biết, mẫu đang nghiên cứu có đối xứng bậc hai và tinh thể có độ kết tinh rất tốt.
99
HDKH: TS. Trần Quang Trung
Nhận xét chung:
Qua phần khảo sát trên, chúng tôi đã xác định được tính đối xứng bậc ba của các mẫu thạch anh (tím và trắng) là bậc đối xứng cao nhất (theo nhiều tài liệu tham khảo lớp đối xứng chính của SiO2 là 6m, do đó bậc đối xứng cao nhất phải là bậc 3).
Trên cơ sở lớp đối xứng 6m của SiO2 ngoài đối xứng bậc 3 thì tinh thể chắc chắn phải tồn tại đối xứng bậc 2 và điều này cũng được chúng tôi xác nhận khi cưa cắt mẫu thạch anh trắng song song với trục chính.
Qua khảo sát trên chúng tôi đã xác định được tất cả các bậc đối xứng vốn có của tinh thể cần khảo sát bằng phương pháp Laue, là điều kiện cần cho việc xác
định lớp tinh thể bất kỳ phục vụ cho quá trình nghiên cứu.
Xa hơn nữa, phương pháp Laue cho phép chúng tôi chế tạo các đế phẳng và xác định được trục đối xứng của chúng phục vụ cho các nghiên cứu khác, ví dụ như
như các nhóm nghiên cứu về chế tạo màng mỏng cần có các đế phẳng có trục định hướng và các hằng số mạng theo yêu cầu để hợp mạng với các vật liệu màng mỏng cần chế tạo.
100
HDKH: TS. Trần Quang Trung
5.1.3 Mẫu Ruby tự nhiên
Tiếp theo quá trình thực nghiệm, chúng tôi chọn mẫu đơn tinh thể Ruby tự nhiên (được khai thác từ miền Bắc nước ta) để khảo sát các tính chất đối xứng, định hướng, độ kết tinh của tinh thể và dựđoán cấu trúc tinh thể của mẫu ruby này.
Mẫu ruby tự nhiên được cắt vuông góc với trục phát triển định hướng tự nhiên. Sau khi bố trí thí nghiệm, chúng tôi tiến hành chụp Laue cho mẫu đơn tinh thể Ruby này với khoảng cách D = 5 cm và ảnh thu được như hình 5.19
Hình 5.19 Ảnh Laue của tinh thể ruby lần 1
Mẫu phim 5.19 cho thấy các vết nhiễu xạ phân bố chưa đồng đều, các đường cong với kích thước khác nhau, chúng đan xen và thể hiện chưa rõ trên nền phim. Để thu được phim thể hiện rõ các vết nhiễu xạ và có tính đối xứng cao, chúng tôi xử lý mẫu phim này theo các bước như hình 5.20.
101
HDKH: TS. Trần Quang Trung
Kết quả xử lý được thể hiện như hình 5.20 với các khoảng cách Oy = 1.8 cm Dựa vào công thức tính góc theta chúng tôi tính góc cần quay.
0 ' 1.8 tan 2 9 54 5 y y Oy D θ = = → θ =
Với mong muốn vết nhiễu xạ rõ trên nền phim, chúng tôi mang mẫu phim xử lý (mài bóng bề mặt nhẳn mịn) sau đó tinh chỉnh mặt cong theo góc đã tính toán. Dựa vào vị trí vết A ở phía trên đối với tâm S0 , muốn đưa vết này về tâm, chúng tôi dùng mặt cong 2 quay cùng chiều kim đồng hồ góc 100 thay cho góc 9054’ ( mặt cong 2 quay 1 vòng ứng với 10). Kết quả thu được thể hiện trên hình 5.21
Hình 5.21 ảnh Laue của tinh thể ruby lần 2
Từ phim thu được chúng tôi nhận thấy rằng:
Các vết nhiễu xạ trên phim thể hiện rất rõ, vết tròn, đen, phân bố đều chứng tỏ tinh thể mẫu ruby rất tốt.
Tập hợp các vết tạo thành các đường cong có dạng hình hoa ba cánh, mẫu ruby có đối xứng bậc ba.
Tuy nhiên kích thước các đường cong chưa đều nhau, điều này có thể hiểu là do mẫu đá tự nhiên có tạp chất xen vào trong quá trình phát triển hoặc sự thay thế các ion Al3+ bởi các ion Cr3+đã gây ra sự lệch cánh hoa này.
Kết quả trên cho thấy tinh thể nghiên cứu có độ kết tinh tốt và có đối xứng bậc ba.
102
HDKH: TS. Trần Quang Trung
Với điều kiện cắt mẫu vuông góc với trục đối xứng theo hình dạng ngoài nên mẫu ruby có mặt định hướng thuộc họ (00l).
Từ đây, chúng tôi có thể dự đoán cấu trúc mạng tinh thể của mẫu đá Ruby thuộc hệ ba phương hoặc sáu phương do có đối xứng bậc ba và định hướng (00l). Do đó chúng tôi tiến hành tính toán mối liên hệ giữa chỉ số mặt mạng (00l) với góc 2theta theo cả hai họ mặt mạng là ba phương và sáu phương. Sau đó sẽ nhờ sự hỗ trợ của phương pháp XRD để có kết luận chính xác về họ tinh thể của ruby.
Xét họ ba phương (trigonal), công thức tính hằng số mạng d như sau:
2 2 2 2 2
2 2 2 3
1 ( )sin 2( ).(cos cos )
(1 3cos 2cos ) h k l hk kl hl d a α α α α α + + + + + − = − +
Mẫu ruby thuộc hệ ba phương có hằng số mạng:
0 0 55.4 5,13 A a b c A α β γ= = = = = = [9]
Xét họ sáu phương (hexagonal), công thức tính hằng số mạng d như sau:
2 2 2 2 2 2 1 4 . 3 h hk k l d a c + + = +
Mẫu Ruby thuộc hệ sáu phương có hằng số mạng: [58]
0 0 4.785 12.991 a b c A A = = =
Áp dụng định luật Bragg 2 sind θ =nλ (n = 1, 2 , 3…..) và sử dụng hai công thức tính hằng số mạng của hệ ba phương và sáu phương chúng tôi nhận được kết quả như hai bảng 5.1 và 5.2
Bảng 5.1: Mối quan hệ giữa chỉ số Miller và góc nhiễu xạ của tinh thể ruby trong hệ ba phương
103
HDKH: TS. Trần Quang Trung
Bảng 5.2 Mối quan hệ giữa chỉ số Miller và góc nhiễu xạ của tinh thể ruby trong hệ
sáu phương
Sau khi thiết lập mối quan hệ giữa chỉ số mặt mạng (00l) với vị trí góc nhiễu xạ 2theta, chúng tôi tiến hành chụp phổ nhiễu xạ XRD của mẫu đá ruby để xác định vị trí góc nhiễu xạ.
Hỗ trợ cho phương pháp Laue trong việc xác định hệ tinh thể (cấu trúc của tinh thể ) của tinh thể Ruby, chúng tôi sử dụng máy nhiễu xạ tia X hiện đang có tại bộ môn với tên gọi XRD Shimadzu 5A và thu được phổ nhiễu xạ như hình 5.22 . Máy nhiễu xạ tia X này hoạt động với các thông số như sau:
Hiệu điện thế : 35KV
Cường độ dòng điện : 25mA
Góc quét từ 150đến 25 0
Tốc độ quét : 4 0/ phút