PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM CHUYÊN NGÀNH Đề tài NHIỄU XẠ TIA X (XRD)

• Thế tăng tốc cần để tạo ra tia X cĩ bước sĩng tương đương với khoảng cách giữa các nguyên tử trong tinh thể cỡ 10 kV • Tia X phát ra trong các va chạm giữa electron và nguyên tử của an

NHIỄU XẠ TIA X (XRD)

GV: TS Lê Trấn HVCH: Phạm Thanh Tuân

PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM CHUYÊN NGÀNH

Tia X

1845 – 1923

•Năm 1895 Rơntghen tình cờ phát hiện

ra tia X

•1915 anh em Bragg đoạt giải Nobel nhờ

công trình dùng tia X để xác định cấu

trúc tinh thể

Henry Bragg Lawrence Bragg

• Khả năng xuyên thấu lớn

• Gây ra hiện tƣợng phát quang ở một số chất

• Làm đen phim ảnh, kính ảnh

• Ion hóa các chất khí

• Tác dụng mạnh lên cơ thể sống, gây hại cho sức khỏe

Nguồn gốc tia X

Sơ đồ phổ tia X với bia Mo ở thế gia

tốc 35 kV

Nước làm lạnh

Bia kim loại

Sợi đốt Wonfram

Dịng đốt nĩng sợi đốt

Ống chân khơng Pha rọi

Tia X Cửa sổ bằng Be Nối đất

Điện cao thế

• Thế tăng tốc cần để tạo ra tia X

cĩ bước sĩng tương đương với khoảng cách giữa các nguyên

tử trong tinh thể cỡ 10 kV

• Tia X phát ra trong các va chạm giữa electron và nguyên tử của anot Mỗi electron mất năng lượng theo các cách khác nhau nên phổ tia X thu được là liên tục

Sơ đồ phổ tia X với bia Mo ở thế gia

tốc 35 kV

• Để có các tia X với  khác nhau, người ta dùng các kim loại khác nhau làm anot Mối quan hệ giữa , X được mô tả bởi định luật Moseley:

1/  = R(Z-1)(1-1/n2)

: bước sóng; R = 109737 hằng số Rydberg; Z: số hiệu nguyên tử;

n là một số nguyên, n = 2, 3 đối với vạch K và K tương ứng



Phổ hấp thụ tia X

 Khi bước tia X sóng giảm (năng lượng

tăng) thì khả năng đâm xuyên của tia X

tăng dần, độ hấp thụ giảm dần

 Khi  giảm đến mức tia X có thể đâm

xuyên vào các lớp electron trong cùng

(K, L, …) và làm bật các electron của

các lớp này thì độ hấp thụ tăng đột

ngột Đây chính là biên hấp thụ

Khi  vượt quá biên hấp thụ, độ hấp thụ giảm dần vì năng

lượng của tia X quá lớn, tia X có thể đâm xuyên qua môi trường

vật liệu mà không bị hấp thụ

Phổ hấp thụ tia X

Tia X đơn sắc

Dùng tấm kim loại có biên hấp thụ thích hợp để hấp thụ bức xạ

K và cho bức xạ K đi qua

Bức xạ Vật liệu lọc Độ dày (mm) Độ truyền qua

Định luật BRAGG

- Hiệu quang lộ của hai tia là: DE + EF

- Khi hiệu quang lộ là một số nguyên lần bước sóng thì các

tia phản xạ từ họ mặt mạng của tinh thể được tăng cường

tức là có hiện tượng nhiễu xạ

n  = 2dsin  Chỉ những họ mặt phẳng

song song thỏa mãn định luật Bragg mới cho chùm tia nhiễu xạ có thể quan sát đƣợc

Muốn thỏa mãn đl Bragg phải có   2d, mà trong tinh thể d cỡ Å nên chỉ thấy hiện tƣợng nhiễu xạ tia X (không thấy hiện tƣợng nhiễu xạ của ánh sáng nhìn thấy và tia )

 Một mặt phẳng chỉ phản xạ một phần rất nhỏ chùm tia X tới, vì nếu không thì mặt phẳng đầu tiên đã phản xạ hết, sẽ không còn gì để các mặt phẳng sau phản xạ và nhƣ vậy sẽ không có hiện tƣợng giao

thoa

Máy XRD

Đầu phát tia X

– Detector nhấp nháy – Gas-filled proportional counters – CCD area detectors

– Image plate – X-ray film

Detector

5 10  10 7 )

Phân loại phương pháp nhiễu xạ

Phương pháp nhiễu xạ tia X

Sự định hướng Đơn tinh thể

Chùm đa sắc Cố định góc tới

Hằng số mạng Đơn tinh thể

Chùm đơn sắc Thay đổi góc tới

Các thông số mạng

Đa tinh thể (bột) Chùm đơn sắc Thay đổi góc tới

• Phân tích được hầu hết các loại vật liệu

đa tinh thể: vô cơ, hữu cơ, khoáng,…nhưng phụ thuộc vào tia X dùng

để phân tích

• Chế độ chụp bột và chế độ chụp màng

• Khi thao tác vận hành ta cố gắng hạn chế những sai số do người vận hành máy tạo ra: tạo mặt phẳng, làm giảm kích thước hạt tối ưu, điều chỉnh vị trí tới của tia X

2

d    

Hệ tinh thể Các thông số Góc giữa các trục

Một số cách tính lý thuyết

sc bcc fcc

Thể tích ô mạng

Số nguyên tử nguyên vẹn trong một ô

mạng

Khoảng cách đến lân cận gần nhất thứ

nhất (2r)

Số lân cận gần nhất thứ nhất

Khoảng cách đến lân cận gần nhất

thứ hai

Số lân cận gần nhất thứ hai

Đặc trưng của các ơ mạng lập phương

Quy tắc chọn lọc

bcc (h+k+l) = chẵn (h+k+l) = lẻ

fcc h,k,l cùng chẵn hoặc

cùng lẻ h,k,l không cùng chẵn hoặc cùng lẻ

Số bị cấm sc fcc bcc hkl tương ứng

Cấu trúc tinh thể của một số kim loại

2 2 2 2

4 sin

1

l k h a a

l k h

2 2

2

2

2

2 2

2 2

2

4 3

k hk h

c

l a

k hk h

2

2 2

2 2 2 2 2

3 2

2

2 2

2 2 2 2

cos 2 cos

3 1

cos cos

2 sin

4 sin

cos 2 cos

3 1

cos cos

2 sin

1

a

hl kl hk l

k h

a

hl kl hk l

k h d

2 2

2 2 2

2

2 2

2 2

2 2

4 sin

1

c

l b

k a h c

l b

k a

h d

Lập phương

Hình thoi

 Xác định cấu trúc tinh thể

- Đo nhiễu xạ tia X mẫu nghiên cứu

- Xác định các góc nhiễu xạ  (vị trí của các pic)

Xác định cấu trúc tinh thể

Đối với mạng lập phương:

Loại mạng

LPĐG 1 : 2 : 3 : 4 : 5 : 6 : 8 : 9 : 10 : 11

LPTK 1 : 2 : 3 : 4 : 5 : 6 : 7 : 8 : 9 : 10

LPTM 1: 1,33 : 2,66 : 3,67 : 4 : 5,33 : 6,33 : 6,67 : 8 : 9 Kim cương 1: 2,66 : 3,67 : 5,33 : 6,33 : 8 : 9 : 10,67 : 11,67 : 13,33

2 1

2 1

2 1

2 i

2 i

2 i

1 2 i 2

2 L K H

2 L K H

L K

H

L K

H θ

sin

θ sin d

d Q

i i i

1 1 1

…

1 1.347481 2.691036 3.66424 4.001021

…

3 4.042442 8.073109 10.99272 12.00306

Tính vị trí góc của mũi nhiễu xạ đầu tiên (  nhỏ nhất) của Pd khi

dùng bức xạ CuK  (  = 1,542 Å )

Công thức Scherrer

Kết luận

Vật liệu

Lý thuyết về tia X Hình thành

Loại bỏ

Nhiễu xạ tia X Các phuong pháp

Máy XRD Cấu tạo

Nguyên tắc

Xử lý phổ Xác định cấu trúc

Tính kích thước tinh thể

Đặt một mẫu bột (hoặc màng) lên một

giá đỡ thực hiện chụp XRD, sau đó ta

xoay giá đỡ đi một góc bất kì nào đó rồi chụp XRD lại lần nữa Câu hỏi là kết quả của hai lần chụp XRD có khác nhau

không?