1.5. Phương pháp xác định đặc trưng của vật liệu
1.5.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
Nhiễu xạ tia X: 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. Kỹ thuật nhiễu xạ tia X (thường viết gọn là phương pháp XRD) được sử dụng để phân tích cấu trúc chất rắn, vật liệu...
Xét về bản chất vật lý, nhiễu xạ tia X cũng gần giống với nhiễu xạ điện tử, sự
khác nhau trong tính chất phổ nhiễu xạ là do sự khác nhau về tương tác giữa tia X với nguyên tử và sự tương tác giữa điện tử và nguyên tử.
Nguyên tắc : Theo lý thuyết cấu tạo tinh thể, mạng lưới tinh thể được cấu tạo từ những nguyên tử hay ion phân bố đều đặn trong không gian theo một quy luật xác định. Khoảng cách giữa các nguyên tử (hay ion) cỡ vài Ao xấp xỉ bước sóng tia X. Do đó khi chùm tia X tới đập vào bề mặt tinh thể và đi vào bên trong nó thì mạng tinh thể đóng vai trò một cách tử. Trong mạng tinh thể các nguyên tử hay ion có thể phân bố trên các mặt phẳng song song nhau. Các nguyên tử bị kích thích bởi chùm tia X này sẽ trở thành những tâm tán xạ. Hiệu quang trình của hai tán xạ bất kỳ trên hai mặt phẳng cạnh nhau theo điều kiện giao thoa phải bằng số nguyên lần độ dài bước sóng ánh sáng.
Phương pháp nhiễu xạ tia X dùng để nghiên cứu cấu trúc tinh thể của vật liệu, cho phép xác định nhanh, chính xác các pha tinh thể, định lượng pha tinh thể và kích thước tinh thể với độ tin cậy cao.
Hình 1.4: Máy đo nhiễu xạ tia X
Kỹ thuật nhiễu xạ tia X được sử dụng phổ biến nhất là phương pháp bột hay phương pháp Debye. Trong kỹ thuật này, mẫu được tạo thành bột với mục đích có nhiều tinh thể có tính định hướng ngẫu nhiên để chắc chắn rằng
có một số lớn hạt có định hướng thỏa mãn điều kiện nhiễu xạ Bragg.
Hình 1.5: Hình vẽ cấu tạo máy nhiễu xạ bột Nguyên lý phương pháp nhiễu xạ bột
Nhiễu xạ bột (Powder X-ray diffraction) là phương pháp sử dụng với các mẫu là đa tinh thể, phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất để xác định cấu trúc tinh thể, bằng cách sử dụng một chùm tia X song song hẹp, đơn sắc, chiếu vào mẫu. Người ta sẽ quay mẫu và quay đầu thu chùm nhiễu xạ trên đường tròn đồng tâm, ghi lại cường độ chùm tia phản xạ và ghi 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.
Phương pháp nhiễu xạ bột cho phép xác định thành phần pha, tỷ phần pha, cấu trúc tinh thể (các tham số mạng tinh thể) và rất dễ thực hiện...
Khoảng cách d giữa các mặt mạng tinh thể liên hệ với góc nhiễu xạ cực đại và chiều dài bước sóng tia X theo phương trình Vulff – Bragg:
nλ = 2d.sin θ Trong đó:
- n: bậc nhiễu xạ, n có giá trị nguyên n = 1, 2, 3
- λ: chiều dài bước sóng tia X
- d: khoảng cách giữa hai mặt tinh thể
Ngoài ra bằng phương pháp nhiễu xạ tia X còn có thể định lượng pha tinh thể và kích thước tinh thể với độ tin cậy cao.
Từ giản đồ XRD có thể xác định được kích thước tinh thể qua độ rộng của vạch nhiễu xạ. Một cách định tính, mẫu có các tinh thể với kích thước hạt lớn thì độ rộng vạch nhiễu xạ càng bé và ngược lại. Để định lượng có thể tính toán kích thước hạt trung bình của tinh thể theo phương trình Scherrer:
Dt.b là kích thước hạt tinh thể, θ là góc nhiễu xạ (độ), B là độ rộng vạch đặc trưng (radian) ở độ cao bằng nửa cường độ cực đại, λ = 1,5406 Å là bước sóng của tia tới, k là hằng số Scherrer phụ thuộc vào hình dạng của hạt và chỉ số Miller của vạch nhiễu xạ.