CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.2. Các phương pháp khảo sát các thuộc tính cấu trúc và tính chất của vật liệu
2.2.1 Phân tích cấu trúc bằng phổ nhiễu xạ tia X
Nhiễu xạ tia X (X-ray Diffraction: XRD) là hiện tượng 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 nhiễu xạ. Ưu điểm của phương pháp này là xác định được các đặc tính cấu trúc, thành phần pha của vật liệu mà không phá huỷ mẫu và cũng chỉ cần một lượng nhỏ để phân tích.
Khi chùm tia đập vào nút mạng tinh thể, mỗi nút mạng trở thành một tâm tán xạ. Các tia X bị tán xạ giao thoa với nhau tạo nên các vân giao thoa có cường độ thay đổi theo. Điều kiện để có cực đại giao thoa được xác định theo định luật phản xạ Bragg:
2dhkl.sin = nλ (2.1)
thể) có các chỉ số Miller là (hkl), n = 1,2,3… là bậc phản xạ, là góc tới của chùm tia X. Tập hợp các cực đại nhiễu xạ với các góc 2θ khác nhau có thể ghi nhận bằng cách sử dụng phim hay đầu thu tín hiệu loại nhấp nháy hoặc bán dẫn (Hình 2.3).
Đối với mỗi loại vật liệu khác nhau thì phổ nhiễu xạ có những đỉnh tương ứng với các giá trị d, 2θ khác nhau đặc trưng cho loại mặt phản xạ của vật liệu đó. Đối chiếu với phổ nhiễu xạ tia X (góc 2θ của các cực đại nhiễu xạ, khoảng cách d của các mặt phẳng nguyên tử) với dữ liệu nhiễu xạ chuẩn có thể xác định được cấu trúc tinh thể (kiểu ô mạng, hằng số mạng…) và thành phần pha của loại vật liệu đó. Trong đề tài này, các phép đo XRD được thực hiện trên hệ nhiễu xạ tia X D5005 (Siemens) - Hình 2.5
Hình 2.4. Sơ đồ đơn giả thiết bị nhiễu xạ tia X
Hình 2.5. Ảnh hệ đo nhiễu xạ tia X D5005 (Siemens)
2.2.2. Phân tích hình thái bề mặt bằng thiết bị hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FESEM)
Ảnh hiển vi điện tử quét (Field Emission Scanning Electron Microscopy:
FESEM) được sử dụng để nghiên cứu hình thái bề mặt của nano tinh thể một chiều ZnS, ZnS/ZnO tổng hợp được. Các mẫu nano tinh thể một chiều ZnS tổng hợp được và oxi hóa ở nhiệt độ khác nhau được phân tích với thiết bị FESEM-S4800 (Hitachi, Japan) tại Viện Vệ sinh dịch tễ Trung ương (Hà Nội) và FESEM-JEOL/JSM-7600F
Hình 2.6. Ảnh thiết bị đo ảnh FESEM được tích hợp với đầu đo EDS và phổ CL
2.2.3 Hệ đo phổ huỳnh quang và kích thích huỳnh quang và phổ huỳnh quang nhiệt độ thấp
Phổ huỳnh quang và phổ kích thích huỳnh quang (PL&PLE): được sử dụng để khảo sát các tính chất quang cơ bản của vật liệu.
Đối với các vật liệu phát quang, khi các điện tử chuyển dời từ trạng thái kích thích về trạng thái cơ bản, chúng phát ra các photon ứng với mức chênh năng lượng đó. Mỗi photon lại ứng với một sóng ánh sáng có bước sóng xác định. Phép đo phổ huỳnh quang giúp ta xác định được các mức năng lượng trong vật liệu bán dẫn, các thông tin về xác suất chuyển dời điện tử có bức xạ giữa các trạng thái. Trong trường hợp mẫu chứa nhiều loại tâm quang thì phổ huỳnh quang có thể sẽ là chồng chập của các đỉnh huỳnh quang có nguồn gốc từ các tâm khác nhau. Để có thể tách được các phần phổ huỳnh quang có nguồn gốc khác nhau này, người ta phải sử dụng một số kỹ thuật đo huỳnh quang khác. Huỳnh quang từ các tâm khác nhau có thể có năng lượng kích thích khác nhau, do vậy chúng có thể được phân biệt từ phép đo phổ kích thích huỳnh quang. Ánh sáng kích thích khác nhau có thể lọc lựa các tâm này, đây là kỹ thuật đo phổ huỳnh quang kích thích lọc lựa. Phổ huỳnh quang được sử dụng trong luận án là hệ đo Fluorolog FL3-22 của hãng JobinYvon Spex (Mỹ) với công suất đèn Xe 450 W (Hình 2.7)
Ánh sáng từ đèn Xenon được chiếu qua máy đơn sắc thứ nhất để tạo tia sáng đơn sắc kích thích mẫu. Tín hiệu huỳnh quang từ mẫu phát ra do bị kích thích được phân tích bằng máy đơn sắc thứ hai và thu nhận bởi bộ nhân quang điện. Sau đó qua bộ tách sóng tín hiệu chuẩn và cuối cùng là đưa vào bộ xử lý. Bộ xử lý vừa có chức năng phân tích tín hiệu thu được, vừa có chức năng điều khiển tự động. Tín hiệu nhận được từ mẫu sẽ được máy tính tự động ghi lại. Để đo được tín hiệu huỳnh quang ta cố định một giá trị bước sóng kích thích (λex = const) của bộ đơn sắc một và quét bước sóng của bộ đơn sắc thứ hai. Phổ huỳnh quang thu được cho ta phụ thuộc của cường độ tín hiệu huỳnh quang phát ra từ mẫu vào bước sóng.
2.2.4 Phương pháp đo phổ huỳnh quang catot
Hình 2.8 Ảnh đầu đo CL được tích hợp trong thiết bị đo FESEM JEOL/JSM-7600F (a) và sơ đồ nguyên lý của thiết bị đo (b) và sơ đồ nguyên lý
của thiết bị đo (b)
Phổ huỳnh quang catot (CL: Cathodoluminescence): Là các ánh sáng phát ra do tương tác của chùm điện tử năng lượng cao với bề mặt mẫu. Phép phân tích này rất phổ biến và rất hữu ích cho việc phân tích các tính chất quang, điện của vật liệu.
Thiết bị phân tích phổ huỳnh quang catot được sử dụng là hệ monoCL4 (Gatan) được tích hợp trên thiết bị hiển vi điện tử quét FESEM-JEOL/JSM-7600F tại Viện AIST Đại học Bách khoa Hà nội.