2.3. Nghiên cứu và khảo sát tính chất của các vật liệu
2.3.1. Nghiên cứu hình thái và cấu trúc vật liệu
Vật liệu Fe2O3 và vật liệu pha tạp sau khi chế tạo thành công theo các quy trình trên được xử lý nhiệt ở 600oC trong 2 giờ và được kiểm tra cấu trúc bằng chụp ảnh bằng hiển vi điện tử quét (FEI-Quanta 200), phân tích phổ năng lượng tán xạ tia X (EDX) và phân tích cấu trúc qua ảnh phổ nhiễu xạ tia X trên máy PANALYTICAL – PHILIP tại Viện Vật lý Kỹ thuật, trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
2.3.1.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X
Hình 17. Máy phân tích phổ nhiễu xạ tia X (Brucker D8 Advance).
Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD- Xray Diffraction) là phương pháp để xác định cấu trúc của vật liệu. Nguyên tắc đo phổ nhiễu xạ tia X là hiện tượng tán xạ
của tia Rơngen bởi các nguyên tử trong tinh thể. Các tia tán xạ này giao thoa với nhau và tạo ảnh nhiễu xạ tia X.
Theo lý thuyết cấu tạo tinh thể, mạng tinh thể cấu tạo từ những nguyên tử hay ion phân bố một cách tuần hoàn trong không gian theo quy luật xác định. Các nguyên tử hay ion tạo thành các mặt mạng song song và cách đều nhau. Do đó, các tia tán xạ sẽ có cực đại giao thoa theo phương thoả mãn điều kiện tán xạ Bragg.
2dsin = n. (4)
trong đó: - d là khoảng cách giữa các mặt mạng - là góc tới của chùm tia X
- n là bậc nhiễu xạ - là bước sóng tia X
Xác định vị trí các góc ứng với đỉnh nhiễu xạ ta có thể xác định được cấu trúc và thông số mạng cho từng pha chứa trong mẫu. Cường độ tương đối của các đỉnh nhiễu xạ cho phép xác định sự phân bố và vị trí các nguyên tử trong tinh thể. Ngoài ra, từ phổ nhiễu xạ tia X ta còn có thể để xác định kích thước tinh thể theo công thức Scherrer:
cos d k
(5)
trong đó - k là hằng số tỷ lệ có giá trị 0,893
- là bán độ rộng đỉnh nhiễu xạ tính theo radian - d là kích thước hạt tinh thể
- là bước sóng của tia X sử dụng (tia X của CuKα có = 1,54056 Å)
2.3.1.2. Phương pháp phân tích hình thái bề mặt vật liệu
Các phương pháp phân tích bề mặt có thể kể đến như hiển vi điện tử quét phát xạ trường FE-SEM (Field Effect Scanning Electronic Microcospy) và hiển vi điện tử truyền qua TEM (Transmition Electronic Microcospy).
Phương pháp chụp ảnh hiển vi quét phát xạ trường (FE-SEM)
Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường cho hình ảnh phân giải cao thông tin về bề mặt và cấu trúc vật liệu. Người ta thường kết hợp chụp ảnh hiển vi điện tử với phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS, EDX) để phân tích định lượng các nguyên tố có mặt tại một vị trí trên bề mặt mẫu. Cả hai phương pháp FE-SEM và EDS đều sử dụng chùm điện tử hội tụ có năng lượng từ vài trăm eV đến 40 keV chiếu lên bề mặt mẫu, các thông tin thu được như điện tử thứ cấp, điện tử tán xạ ngược và tia X đặc trưng sẽ cung cấp hình ảnh bề mặt cũng như cho biết thành phần các nguyên tố có mặt trong vật liệu. Khả năng phân giải của ảnh FE-SEM có thể đạt 5 nm. Phương pháp này đòi hỏi làm việc trong chân không cao (~10-3 Pa).
Hình 18. Sơ đồ kính hiển vi điện tử quét.
Phương pháp chụp ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
Về nguyên tắc thì phương pháp chụp TEM giống với chụp SEM, chỉ khác là tín hiệu thu được từ TEM là các điện tử truyền qua màng vật liệu mà không phải điện tử phát xạ bề mặt. Sơ đồ hình 19 chỉ ra cấu trúc của kính hiển vi điện tử truyền qua.
Chính từ đặc điểm trên, khâu chuẩn bị mẫu cũng khác nhiều so với mẫu chụp SEM. Đối với ảnh SEM thì mẫu chuẩn bị có thể ở dạng màng dày, màng mỏng, mẫu khối, mẫu bột còn với TEM, mẫu bắt buộc phải là màng mỏng có chiều dày dưới 100 nm. Màng vật liệu được phủ lên một lưới kim loại có kích thước mắt lưới khác nhau, trên lưới được bốc bay tạo một màng carbon cực mỏng (vài nanomet).
Hệ TEM chuẩn thường làm việc ở chân không cao 10-4 Pa. Tuy nhiên, một số hệ TEM làm việc ở chân không siêu cao 10-7 đến 10-9 Pa để thu được chất lượng ảnh tốt hơn.
Hình 19. Sơ đồ mặt cắt của kính hiển vi điện tử truyền qua.