Chương 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
2.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
2.3.1. Nhiễu xạ tia X.
Kỹ thuật nhiễu xạ tia X được sử dụng để phân tích cấu trúc chất rắn, vật liệu... Khi cho chùm tia X có bước sóng λ chiếu tới một tinh thể chất rắn dưới góc tới θ. Do tinh thể có tính chất tuần hoàn, các mặt tinh thể sẽ cách nhau những khoảng đều đặn d, đóng vai trò giống như các cách tử nhiễu xạ và tạo ra hiện tượng nhiễu xạ của các tia X, tạo nên các cực đại và cực tiểu nhiễu xạ. Nếu ta quan sát các chùm tia tán xạ theo phương phản xạ (bằng góc tới) thì hiệu quang trình giữa các tia tán xạ trên các mặt là:
Δ L = 2.d.sinθ (2.1) Như vậy, để có cực đại nhiễu xạ thì góc tới phải thỏa mãn điều kiện:
Δ L = 2.d.sinθ = nλ (2.2) Suy ra: d= nλ/(2.sinθ) (2.3) Ở đây, n là số nguyên nhận các giá trị 1, 2,... và điều kiện có cực đại nhiễu xạ khi λ < 2d. Đây là định luật Vulf-Bragg mô tả hiện tượng nhiễu xạ tia X trên các mặt tinh thể.
Giản đồ XRD biểu diễn sự phụ thuộc của cường độ nhiễu xạ vào góc nhiễu xạ.Thông tin về cấu trúc của các mẫu trong luận văn được đánh giá dựa trên giản đồ XRD thực hiện bằng phương pháp nhiễu xạ bột tia X trên hệ thiết bị D5000 của hãng SIEMENS (Hình 2.5). Những đặc trưng quan trọng nhất của giản đồ nhiễu xạ là vị trí và cường độ của các vạch nhiễu xạ. Bằng việc phân tích số liệu từ giản đồ ta có thể thu được các thông tin định tính, định
40
lượng pha tinh thể, độ kết tinh của mẫu nghiên cứu, xác định được hệ cấu trúc và các hằng số mạng tinh thể...
2.3.2. Kính hiển vi điện tử quét.
Kính hiển vi điện tử quét (SEM) là thiết bị dùng để chụp ảnh vi cấu trúc bề mặt với độ phóng đại gấp nhiều lần so với kính hiển vi quang học. Vì bước sóng của chùm tia điện tử rất nhỏ so với bước sóng ánh sáng của vùng khả kiến. Kính hiển vi điện tử quét có thể tạo ra ảnh với độ phân giải cao của bề mặt mẫu vật bằng cách sử dụng một chùm điện tử (chùm các electron) hẹp quét trên bề mặt mẫu. Việc tạo ảnh của mẫu vật được thực hiện thông qua việc ghi nhận và phân tích các bức xạ phát ra từ tương tác của chùm điện tử với bề mặt mẫu vật.
Kính hiển vi điện tử quét hoạt động dựa trên nguyên lý: chiếu một chùm điện tử có năng lượng cao gọi là điện tử sơ cấp lên mẫu (mẫu bột). Sau đó, ghi nhận và phân tích các tín hiệu được phát ra do tương tác của điện tử sơ cấp với các nguyên tử của mẫu, gọi là tín hiệu thứ cấp, để thu thập các thông tin về mẫu.
Hình 2.5. Thiết bị nhiễu xạ SIEMENS D5000.
41
Các phép đo và phân tích SEM của các mẫu trong luận văn được thực hiện trên thiết bị kính hiển vi điện tử quét HIT HI S-4800. Độ phóng đại cao nhất có thể đạt đến 800.000 lần, độ phân giải có thể đạt đến 2 nm ở hiệu điện thế 1 kV (Hình 2.6).
2.3.3. Từ kế mẫu rung.
Hình 2.6. Kính hiển vi điện tử quét HITACHI S-4800.
Hình 2.7. Hệ đo VSM.
42
Từ kế mẫu rung hoạt động dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ, dùng để đo từ độ M phụ thuộc vào từ trường H và nhiệt độ. Mẫu đo được đặt trong từ trường ngoài do nam châm điện gây ra. Mômen từ của mẫu được xác định dựa vào suất điện động cảm ứng sinh ra do sự dịch chuyển tương đối giữa mẫu và cuộn dây.
Các đường đo từ độ phụ thuộc từ trường M(H) và phụ thuộc nhiệt độ trong luận văn được đo trên hệ từ kế mẫu rung thuộc Viện khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam (Hình 2.7). Phép đo M(H) thực hiện với cường độ từ trường thay đổi từ -1,1 kOe đến 1,1 kOe.
2.3.4. Phổ tán xạ Laze động.
Để xác định bán kính động học của hạt nano từ đã được bọc chitosan, người ta dùng máy đo Malvern Zetasizer version 6.0 (Hình 2.8) của hãng Malvern - UK được đặt tại Viện Khoa học vật liệu. Máy có thể xác định được hạt keo có kích thước từ 0,6 nm đếm 6000 nm.
Máy đo hoạt động dựa trên mối liên hệ giữa kích thước hạt keo trong chất lỏng và tốc độ chuyển động Brown của chúng. Tốc độ chuyển động Brown của các hạt lơ lửng trong chất lỏng được đo đạc thông qua việc phân tích cường độ tán xạ (dynamic light scattering) của chùm tia laser khi chiếu vào mẫu dung dịch có chứa các hạt có kích thước nhỏ hơn bước sóng ánh sáng chiếu tới.
Hình 2.8. Ảnh chụp phổ tán xạ Laze động.
Hình 2.8. Máy đo Malvern Zetasizer[40].
43
Hình 2.9. Ảnh chụp hệ đốt từ Model: UHF-20A.
Ngoài ra, thiết bị Malvern Zetasizer còn được dùng để đo thế Zeta. Thế zeta là hiệu điện thế xuất hiện trong phần khuếch tán của lớp điện tích ở ranh giới giữa pha rắn và pha lỏng. Lớp này gồm hai vùng: một vùng có bề dày cỡ đường kính của một ion, trong đó điện thế giảm đột ngột; vùng khác có điện thế thay đổi từ từ được gọi là vùng khuếch tán. Trong ánh sáng tán xạ điện di (ELS), tốc độ của các hạt được đo bằng sự hiện diện của một điện trường. Sự di chuyển các hạt nhanh hơn, thì điện thế zeta của các hạt cao hơn. Nói chung, điện thế zeta cường độ lớn có nghĩa là các hạt sẽ đẩy nhau mạnh hơn, tạo ra một dung dịch huyền phù ổn định hơn. Độ bền của chất lỏng hay độ ổn định của chúng cũng đánh giá qua thế zeta.
2.3.5. Đốt nóng cảm ứng từ.
Đốt nóng cảm ứng từ dùng để xác định nhiệt độ đốt nóng phụ thuộc vào nồng độ của chất lỏng từ của các mẫu. Thực nghiệm đốt nóng cảm ứng từ được thực hiện trên hệ thiết bị phát từ trường xoay chiều: Model: UHF-20A, công suất 20 kW (Hình 2.9). Tần số thay đổi trong khoảng 100 ÷ 500 kHz và cường độ từ trường 45 ÷400 Oe được tạo bởi cuộn dây cảm ứng (7 vòng, đường kính trong 3 cm, 4 cm, 5 cm và 6 cm, chiều dài cuộn 11,5 cm).
44
Các mẫu đo được phân tán trong nước và đặt cách nhiệt với môi trường ngoài bằng bình thuỷ tinh được hút chân không cỡ 10-3 ÷ 10-4 Torr. Nhiệt độ của mẫu sau khi bật từ trường được đo bằng nhiệt kế quang (GaAs sensor, Opsens) với độ chính xác 0,3oC trong dải từ 0oC đến 250oC và có kết nối máy tính để ghi lại dữ liệu.
Kết luận chương 2
Trong chương này, tôi đã trình bày sơ lược liên quan đến tổng hợp hệ hạt nano Co1-xZnxFe2O4 bằng phương pháp thủy nhiệt và tổng hợp chất lỏng từ từ nền hạt Co1-xZnxFe2O4. Phương pháp nhiễu xạ tia X, phổ tán xạ năng lượng tia X và hiển vi điện tử rất tiện ích trong việc nghiên cứu vi cấu trúc của vật liệu, thành phần nguyên tố, nó trở thành công cụ rất hữu hiệu cho phép đi sâu tìm hiểu bản chất của các hệ hạt nano tổng hợp được, làm cơ sở để định hướng cho các nghiên cứu tiếp theo. Phương pháp đo từ kế mẫu rung cung cấp các đặc trưng của từ độ phụ thuộc từ trường và nhiệt độ. Qua đó đánh giá được phẩm chất từ của chúng. Nguyên lý, thiết bị và cách tiến hành phép đo đốt nóng cảm ứng từ cũng đã được trình bày.
45