Nghiên cứu phương pháp ăn mòn laser để chế tạo các hạt nano kim loại

Website: Email : Tel (: 0918.775.368
MỞ ĐẦU
Công nghê vật liệu nano ngày nay đã khẳng định những ứng dụng rộng lớn
của nó trong rất nhiều lĩnh vực. Trong các cấu trúc nano, cấu trúc hạt nano kim loại
thu hút rất nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học trên thế giới do tính chất ưu việt
của nó mà khi ở dạng khối kim loại không thể có. Các đặc tính của hạt nano kim loại
có thể cho ra những sản phẩm đa năng hoàn toàn mới lạ ứng dụng trong y, dược, bảo
vệ môi trường, công nghệ điện tử... [1].
Các hạt nano đã được nghiên cứu chế tạo bằng nhiều phương pháp khác nhau.
Những phương pháp này được phân nhóm theo kích thước của vật liệu ban đầu (gồm
2 nhóm: các phương pháp từ trên xuống và các phương pháp từ dưới lên) hoặc theo
trạng thái của vật liệu chế tạo (gồm 4 nhóm: các phương pháp đối với vật liệu ở trạng
thái rắn, trạng thái hơi, các phương pháp tổng hợp hóa học/đối với các chất ở trạng
thái dung dịch và các phương pháp với tổng hợp ở pha khí ). Mỗi phương pháp đều
có những ưu điểm riêng, tuỳ theo mục đích chế tạo mà có sự chọn lựa phương pháp
phù hợp [2].
Trong số các phương pháp chế tạo, phương pháp ăn mòn laser đang giành được
sự quan tâm và đầu tư lớn ở nhiều nước trên thế giới . Đây là một trong những
phương pháp đơn giản song mang lại hiệu quả, có thể chế tạo được các hạt có kích
thước vài nano với độ tinh khiết cao. Ở Việt Nam, đây vẫn còn là một phương pháp
hoàn toàn mới. Dựa trên các tài liệu tham khảo, đánh giá khả năng thực hiện nghiên
cứu, cũng như xu hướng pháp triển nghiên cứu chúng tôi quyết định thực hiện đề tài:
‘‘Nghiên cứu phương pháp ăn mòn laser để chế tạo các hạt nano kim loại ’’.
Mục đích của đề tài:
Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và thực nghiệm của phương pháp chế tạo hạt
nano kim loại quý bằng ăn mòn laser. Thiết kế, xây dựng một hệ thiết bị chế tạo hạt
nano kim loại quý trên cơ sở sử dụng laser Nd:YAG tại phòng thí nghiệm. Khảo sát
ảnh hưởng của thông lượng laser, thời gian ăn mòn laser và nồng độ dung dịch chất
hoạt hoá bề mặt lên kích thước trung bình của hạt nano kim loại. Từ đó xác lập một
1
Website: Email : Tel (: 0918.775.368

quy trình chế tạo hạt nano kim loại. Đồng thời có sự so sánh phương pháp ăn mòn
laser với các phương pháp khác.
Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn bao gồm ba chương:
Chương 1: Tổng quan về phương pháp ăn mòn laser
Chương 2: Thực nghiệm chế tạo và các phương pháp nghiên cứu
Chương 3: Kết quả nghiên cứu và thảo luận
2
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP ĂN MÒN LASER
1.1. Khái niệm phương pháp ăn mòn laser
Phương pháp ăn mòn laser là một quá trình loại bỏ các vật liệu từ một vật liệu
rắn (hoặc đôi khi ở dạng lỏng) khi chiếu lên bề mặt của nó một tia laser. Một điểm
đặc biệt của ánh sáng laser là nó có thể tập trung năng lượng với cường độ rất cao
trên một vùng giới hạn của vật liệu. Khi ánh sáng laser chiếu tới vật liệu, do cường
độ laser lớn sẽ gây bùng nổ và dẫn đến sự phát tán hỗn hợp của nguyên tử, các phân
tử và ion (plasma) hoặc các đám hơi vật chất từ bề mặt của vật liệu.

Hình 1.1: Nguyên lý ăn mòn laser
Một xung laser năng lượng cao tập trung chiếu vào vật liệu. Khi dòng năng
lượng của laser vượt giá trị ngưỡng ăn mòn của vật liệu, các liên kết hóa học của nó
bị phá vỡ và vật liệu bị “vỡ” thành các mảnh nhỏ, thường các mảnh này là hỗn hợp
của nguyên tử, các phân tử và ion. Hỗn hợp các mảnh nhỏ ở trạng thái rắn, khí và
plasma thoát khỏi vùng tương tác, quá trình ăn mòn tương tự với sự bay hơi nhanh
chóng của lớp bề mặt vật liệu.
Khi xung lượng laser thấp, mẫu bị nung nóng bởi hấp thụ năng lượng laser và
bốc bay hoặc thăng hoa. Khi xung lượng laser cao, mẫu thường được chuyển đổi
sang dạng plasma.
Thông thường, phương pháp ăn mòn laser thường dùng laser xung, nhưng với
một số vật liệu có thể dùng laser liên tục nếu laser có cường độ đủ lớn.
Xung LASER

Đám hơi vật chất
Miếng kim loại
3
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
1.2. Cơ chế phương pháp ăn mòn laser
Có hai quá trình chi phối gây ra quá trình ăn mòn [7]:
- Quá trình ăn mòn nhiệt: Đó là quá trình đốt nóng vật liệu do sự hấp thụ
photon.
- Quá trình ăn mòn quang hoá: Đó là quá trình hấp thụ photon để phá vỡ liên
kết hoá học trong phân tử.
Đối với laser hoạt động ở vùng hồng ngoại hoặc khả kiến, quá trình quang
nhiệt chiếm ưu thế hơn.Với bức xạ laser vùng tử ngoại xa, khi năng lượng photon lớn
hơn năng lượng liên kết hóa học trong phân tử thì quá trình quang hoá chiếm ưu thế
hơn. Hai quá trình này đều là nguyên nhân gây ra quá trình ăn mòn. Trên thực tế hai
quá trình này không tách riêng rẽ mà có mối liên hệ chặt chẽ với nhau.
1.2.1 Ăn mòn nhiệt
Quá trình ăn mòn nhiệt là quá trình xung laser được hấp thụ trong một thể tích
của mẫu rắn, quá trình nung nóng sau đó xảy ra theo thời gian, dẫn đến phần mẫu
được định xứ nóng chảy, sôi, và cuối cùng là hóa hơi. Nhiệt lượng ăn mòn là không
cố định vì liên quan đến các quy trình biến đổi hiệu suất và tỷ lệ theo các biến đổi của
vùng dẫn nhiệt, điểm nóng chảy, điểm sôi, và nhiệt độ hóa hơi cho các loại mẫu khác
nhau, và thậm chí liên quan tới các thành phần và hợp chất khác nhau trong cùng một
mẫu. Một phần nóng chảy và một phần hóa hơi tạo thành các hố hiệu ứng, trong đó
sẽ có sự ngưng tụ đáng kể các hạt trong các khí vận chuyển lạnh được thổi qua bề
mặt. Nên kích thước các hạt là khá đa dạng [8].
1.2.2 Ăn mòn quang hóa
Ăn mòn quang hóa là quá trình có tính ưu tiên vì trên lý thuyết độc lập nó với
tính chất nhiệt, chẳng hạn như điểm nóng chảy và sôi của các yếu tố khác nhau và các
hợp chất trong các mẫu. Trong ăn mòn quang hóa, xung laser được hấp thụ vào một
thể tích nhỏ của các mẫu rắn, với tốc độ nhanh và mật độ năng lượng lớn có thể làm

mất ổn định trong một vùng xác định, gây ra sự bùng nổ trên bề mặt vật liệu. Như
vậy ăn mòn quang hóa xảy ra trước khi hiệu ứng nhiệt có thời gian để thể hiện một
cách mạnh mẽ. Dưới điều kiện thuận lợi, việc kiểm soát sự phát các hạt nhỏ như là sự
4
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
phun hạt từ một hố ăn mòn. Ăn mòn quang hóa trong thời gian ngắn đòi hỏi một
bước sóng ngắn, độ rộng xung laser nhỏ với năng lượng phải đủ lớn cho một loại vật
liệu. Trong thực tế, nó không phải là hoàn toàn có thể loại bỏ ăn mòn nhiệt, do đó
một sự kết hợp của ăn mòn nhiệt và ăn mòn quang hóa sẽ thường xảy ra. Chìa khóa
để kiểm soát hai quá trình trên là điều kiện để ăn mòn quang hóa là cao hơn.
Đồng thời để kích thước hạt nhỏ và đồng đều thì có một quá trình kiểm soát
sự bùng nổ trên bề mặt vật liệu. Sự bùng nổ không cần bắt nguồn từ sâu bên trong
khối mẫu lớn. Một sự bùng nổ quang hóa xuất hiện sâu quá mức ở dưới bề mặt mẫu
sẽ là sự bùng nổ “ Thô ”. Đó là hiệu ứng gãy vỡ cảm ứng, và nổ ra các “sỏi lớn” rải
từ miệng hố, thay vì phun những hạt nhỏ. Để giữ sự bùng nổ quang hóa gần bề mặt
mẫu, thì các xung laser phải là độc lập, riêng lẻ. Một xung laser độc lập sẽ không cho
phép xung đi sâu vào trong bề mặt mẫu trước khi nó được hấp thụ để gây ra hiện
tượng ăn mòn quang hóa [8].
1.3. Mô hình hoá cơ chế phương pháp ăn mòn laser
Việc khảo sát mô hình của cơ chế phương pháp ăn mòn laser đóng một vai trò
quan trọng trong sự hoàn thiện nhận thức về cơ chế vi mô gây ra sự phát tán mạnh
vật chất ( material ejection) và mối liên hệ giữa các thông số của quá trình ăn mòn.
Hiện nay trên thế giới đã có rất nhiều các công trình nghiên cứu về vấn đề này, với
nhiều mô hình khác nhau về cơ chế phương pháp ăn mòn laser như: mô hình động
lực học phân tử, mô hình Monte Carlo…
Trong khoá luận, chúng tôi xin giới thiệu về mô hình hoá cơ chế phương pháp
ăn mòn laser theo mô hình động lực học phân tử.
Phương pháp mô hình động lực học phân tử (MD) cho phép thực hiện phân
tích chi tiết quá trình phương pháp ăn mòn laser trong đó các thông số nhiệt động lực
học của hệ có thể được xác định theo động lực học vi mô ở mức độ phân tử. Khả

năng này của mô hình động lực học phân tử sẽ cung cấp cái nhìn toàn diện về cơ chế
phát tán mạnh vật chất trong quá trình phương pháp ăn mòn laser. Leonid V. Zhigilei
và Barbara J. Garrison cùng các cộng sự đã xây dựng thành công mô hình động lực
học phân tử để mô tả cơ chế phương pháp ăn mòn laser [9].
5
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
Hình 1.2 mô phỏng đám vật chất trên bề mặt vật liệu bị ăn mòn theo mô hình
động lực học phân tử do nhóm các nhà khoa học này nghiên cứu. Theo các nhà khoa
học, đám vật chất được phát tán là tập hợp của các hạt lơ lửng có dạng hình cầu.
Hình 1.2: Khối hình trụ ban đầu của đám vật chất trên bề mặt bị ăn mòn được lấp
đầy bởi các hạt được mô hình hoá.
Các quá trình chi tiết xảy ra trong quá trình phương pháp ăn mòn laser được
mô phỏng bởi chuỗi liên tiếp các hình trong hình 1.3:
Hình 1.3: Ảnh chụp nhanh từ mô hình MD của phương pháp ăn mòn laser
vật liệu rắn minh họa cho các quá trình khác nhau của sự phát tán mạnh vật liệu.
6
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
Hình 1.3 thể hiện sự phụ thuộc mạnh của cơ chế phát ra vật chất vào các điều
kiện bức xạ. Các mức độ khác nhau của quá trình được quan sát bao gồm:
- Sự phân huỷ từng phân tử (hình thứ nhất), xảy ra quá trình bốc bay nhẹ của
các phân tử hay được gọi là sự phún xạ trong khoảng thời gian 100 ps. Quá trình này
ứng với thông lượng laser thấp.
- Bùng nổ sự phân ly của một vùng bề mặt bị đốt quá nóng (hình thứ hai). Quá
trình này xảy ra trong thời gian khoảng 200 ps.
- Sự hình thành một lượng lớn các giọt vật chất do sự nóng chảy tức thời (hình
thứ ba, thứ tư).
- Sự phân tán mạnh của các mảnh nhỏ chất rắn bị vỡ ra do hiệu ứng quang hóa
cơ học khi mật độ năng lượng laser lớn hơn (hình thứ 5,6,7)
Khi mật độ năng lượng laser thấp. Hầu hết các đơn thức phân tử (monomer)
được phát ra từ bề mặt bị nung nóng do bức xạ laser. Mô hình có thể cung cấp sự mô

tả đầy đủ quá trình phát ra các phân tử.
Thật vậy, trong chế độ năng lượng laser ở mức thấp, sự phụ thuộc của số phân
tử bị phát ra N vào thông lượng ( fluence) F bởi biểu thức:

]
)(
exp[
0
*
BFTk
E
AN
B
S
+
−=
với F < F
th
(1.1)
Trong đó :
N: Số phân tử được phát trong thời gian khảo sát
E
*
S
: Năng lượng kích hoạt
A: Hệ số tỉ lệ
B: Hệ số mô tả sự biến đổi năng lượng tích tụ làm tăng nhiệt độ bề mặt.
T
0
: Nhiệt độ ban đầu của hệ phân tử

K
B
: Hằng số Boltzman
F
th
: Thông lượng ngưỡng đó là thông lượng để bắt đầu xảy ra quá trình
phương pháp ăn mòn laser.
7
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
Lượng vật chất được phát ra trong cơ chế phương pháp ăn mòn laser có thể
được mô tả bởi mô hình đơn giản trong đó mức độ ăn mòn phụ thuộc vào sự tích tụ
của năng lượng laser. Hầu hết các vật liệu hấp thụ năng lượng cao hơn mật độ năng
lượng tới hạn E
*
v
được ăn mòn. Với sự phân tán theo quy luật hàm mũ của cường độ
laser được xác định bởi định luật Beer thì tổng số phân tử toàn phần được phát tán
trên một đơn vị diện tích bề mặt là:
]
)(
ln[
0
*
CTEL
F
LnN
vP
Pm
−
=

th
FF
≥
(1.2)
Trong đó: L
P
: Độ xuyên sâu của laser vào bề mặt vật liệu.
n
m
: Mật độ phân tử của vật liệu
C: Nhiệt dung đặc trưng cho vật liệu
CT
0
: Mật độ năng lượng nhiệt trước khi chiếu laser
Công thức này cũng mô tả mật độ năng lượng ngưỡng F
th
= L
P
(E
*
v
– CT
0
)
Xét trường hợp ăn mòn laser vật liệu rắn xảy ra gần bề mặt, độ rộng xung
laser nhỏ hơn nhiều so với kích thước của chùm laser tại bề mặt (điển hình cho laser
xung là xung ăn mòn laser 10 ns, và kích cỡ của chùm laser tại chỗ trên bề mặt
thường là 2 mm. Vì vậy mà các chùm có thể được coi là mặt phẳng song song với
mẫu trên bề mặt. Vì vậy, tất cả các mô hình sẽ được xem xét theo xấp xỉ một chiều.

Đối với việc nghiên cứu động học chùm cách xa các mẫu trên bề mặt, thì các
mô hình hai và ba chiều là cần thiết. Việc mở rộng quy trình của các chùm ở xa đã
được coi như là một quá trình thuận nghịch có mở rộng của một chất lỏng lý tưởng,
và tự xấp xỉ được áp dụng tương tự. Trong xấp xỉ thuận nghịch đoạn nhiệt một chiều,
chỉ có một trong ba biến tọa độ (x) và thời gian (t) vẫn còn, và di chuyển chất lỏng có
thể được mô tả hoàn toàn của một trong những thành phần vận tốc (v
x
)
,
và bất kỳ một
trong những đại lượng nhiệt động học nào nhưng entropy S là không đổi. Nếu chất
lỏng được coi là tự đối xứng, các vận tốc và đại lượng nhiệt động học sẽ phụ thuộc
các tỷ lệ tọa độ x / t.
8
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
Chúng tôi đã phát triển một lý thuyết tương tự và một số mô phỏng động lực
học chất lỏng cho các nghiên cứu gia tốc mở rộng do sự ảnh hưởng của các nguồn
động học và một phần ion hóa. Các mô hình nguồn động học dự báo rằng mở rộng
mặt không ổn định theo hướng vuông góc vào mẫu trên bề mặt rất nhanh hơn thu
được từ các mô hình quy ước. Một phần ion hóa động học sẽ tăng cường mở rộng
trong tất cả các hướng. Một sự khác biệt từ mô hình mở rộng tự do là mô hình động
học trong không gian đầu tiên là chân không hoặc chứa đầy những khí nền.
Sau khi t = 0 một hạt nguồn và năng lượng xuất hiện tại x = 0. Tương tự như
lý thuyết, chúng tôi giả sử rằng vận tốc mặt chùm được cho là
u = v / v
m
=
α
+ (1 -
α) ξ

(1.3)
với v
m
là vận tốc mở rộng tối đa, α là hằng số, và
ξ
= x / v
m
t.
Sau đó các mặt chùm của mật độ, áp suất và nhiệt độ có thể được tính toán với
phương trình Euler . Từ định luật bảo toàn khối lượng, momen và năng lượng, tương
ứng, chúng ta nhận được v
m
như là hàm của
α.
Trong những tính toán mẫu nhiệt
động lực học chúng ta sử dụng chương trình Rusanov để mô phỏng các quá trình mở
rộng.
Đối với mẫu hiệu ứng động học ion hóa riêng lẻ bởi phương trình Saha, chúng
ta sử dụng phương pháp Newton-Raphson. Các kết quả này có thể giúp đỡ để giải
thích sự mở rộng mặt vận tốc quan sát được trong thí nghiệm ăn mòn laser.Thông
lượng laser trên bề mặt vật liệu là một trong những thông số ăn mòn quan trọng nhất.
Khi thông lượng đủ lớn, sự bay hơi của lớp bề mặt vật liệu xảy ra nhanh chóng.
Một tính chất độc đáo của quá trình ăn mòn là hầu hết năng lượng của xung
laser đều được hấp thụ bởi lớp vật liệu bề mặt bị bắn ra. Vì vậy, có rất ít sự phá hủy
nhiệt đối với các lớp vật liệu xung quanh.

1.4. Hệ quang học trong ăn mòn laser
9
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
Trong phương pháp ăn mòn laser, hệ quang học bao giờ cũng đóng một vai trò

quan trọng. Để điều chỉnh một hệ quang học phù hợp cho ăn mòn laser:
- Đầu tiên: chùm tia laser được định hướng sao cho đi tới hội tụ tại một điểm
trong một hình phẳng trên mẫu.
- Thứ hai: vị trí, góc chùm tia bị điều chỉnh bởi quay thấu kính kết hợp với
gương, sử dụng tốt hơn là khi dùng kính hiển vi và laser. Các thấu kính và gương có
giá sao cho chúng ổn định và có thể điều chỉnh liên tục. Cần có những bước điều
chỉnh cần thiết để tạo hệ laser hoạt động chính xác, điều chỉnh dễ dàng, ổn định là
điều rất quan trọng.
Trong thực tế, thiết kế của hệ quang liên kết là một nhân tố quan trọng nhất
xác định hệ laser thích hợp nào sẽ được sử dụng[10]. Thêm vào đó, khi hệ liên kết
quang là rẻ hơn hệ kính hiển vi và laser.
Hình 1.4: Mô hình hệ quang liên kết cho ăn mòn laser
Hình 1.4 chỉ ra rằng thấu kính được sử dụng để định hướng và hội tụ chùm tia
laser. Điều quan trọng nhất của các thấu kính này được coi là vật kính của kính hiển
vi. Thực sự vài năm trước đây tất cả vật kính kính hiển vi được thiết kế sao cho hình
ảnh của mẫu nằm sau 160nm vật kính. Hình 1.4 chỉ ra hệ quang liên kết ăn mòn laser
dựa trên loại kính hiển vi này.
Thấu kính y hội tụ tại 1 điểm bên trong ảnh, sao cho nó sẽ có hội tụ tại điểm
tương ứng bên trong mẫu. Thấu kính y có thể di chuyển dọc theo trục tia để điều
Tia
laser
tới
Điều chỉnh
bán kính
chùm tia
ảnh
Điều chỉnh
mặt tiêu cự
Mẫu
Bản

chia
tia
Thanh
lọc sắc

10
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
chỉnh sự hội tụ của laser sao cho nó tương ứng với ảnh bạn nhìn thấy. Nếu nó được di
chuyển về phía laser, sự hội tụ sẽ di chuyển đi lên hướng mẫu.
Ngày nay rất nhiều kính hiển vi sử dụng vật kính điều chỉnh tại vô cực. Điều
này có nghĩa là tất cả tia của ánh sáng từ một điểm duy nhất trong mẫu tới ngoài của
vật kính song song (hình 1.5). Ánh sáng laser không thể hội tụ tại điểm trong ảnh, bởi
vì không ảnh nào được tạo thành. Trong trường hợp này người ta sử dụng thấu kính
phụ vào (thấu kính z trong hình vẽ) để tạo ảnh.

Hình 1.5: Mô hình hệ quang liên kết cho ăn mòn laser điều chỉnh tại vô cực
Điều quan trọng là ánh sáng laze vào mẫu từ phạm vi có thể đến từ những góc
rộng nhất, có nghĩa rằng đường kính chùm tia phải ít nhất đủ lớn để soi sáng toàn bộ
mẫu. Nếu thấu kính x được di chuyển về phía laze, chùm tia sẽ bị chia nhỏ như khi di
chuyển kính thiên văn, để đường kính của nó sẽ lớn hơn tại thấu kính y và mẫu. Nếu
chùm tia lớn hơn mẫu, thì chỉ phần trung tâm sẽ vào mẫu. Như vậy thấu kính x được
di chuyển về phía laze, phần của ánh sáng để soi sáng trở vào những mẫu nên yếu
hơn. Đây là một cách điều chỉnh cường độ hữu ích. Nó cũng cải thiện sự đồng nhất
của chùm tia, khi đó trung tâm của chùm tia là đồng dạng nhất.
Tia
laser
tới
Điều
chỉnh bán
kính chùm

tia
ảnh
Điều
chỉnh mặt
tiêu cự
Mẫu
Chia
tia
Thanh
lọc

11
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
Cường độ có thể cũng được điều chỉnh bởi việc xen vào một mật độ trung lập
được lọc trong chùm tia, hoặc do chính thay đổi nhỏ trong cường độ bằng kính hiển
vi trượt. Tất nhiên, những sự biến đổi trên các hệ liên quang là rất đa dạng. Ví dụ,
bạn có thể rút ngắn đường dẫn trong hình 1.6 bởi việc sử dụng một thấu kính lõm
thay vì một thấu kính lồi.
Hình 1.6: Mô hình hệ quang liên kết ăn mòn laser rút ngắn đường đi
1.5. Các phương pháp phương pháp ăn mòn laser
Phương pháp ăn mòn laser được sử dụng để chế tạo màng mỏng khi nó được
thực hiện trong chân không đôi khi trong môi trường khí trơ như Ar hay trong những
chất khí đóng vai trò tác nhân hoá học như Amoniac hoặc Nitơ. Phương pháp ăn mòn
laser cũng có thể thực hiện trong môi trường chất lỏng để tạo ra các hạt kích thước cỡ
nano. Kỹ thuật phương pháp ăn mòn laser khá hữu hiệu để tạo ra các hạt nano của vật
liệu bán dẫn và kim loại. So với các phương pháp khác, phương pháp ăn mòn laser là
một phương pháp khá đơn giản, các hạt nano được chế tạo không bị nhiễm bẩn bởi
chất khử, đặc biệt có thể điều khiển được kích thước hạt.
1.5.1 Ăn mòn laser tạo vật liệu nano dạng màng mỏng
Phương pháp ăn mòn laser cung cấp một phương tiện để tạo màng mỏng,

trong một loạt các mẫu vật liệu, trên một loạt các chất, ở nhiệt độ phòng.
Các ứng dụng của phương pháp ăn mòn laser rất linh hoạt và rộng, tuy nhiên,
nhiều khía cạnh của các chi tiết hóa chất vật lý của các quá trình ăn mòn vẫn còn
Tia
laser
tới
Điều
chỉnh bán
kính
chùm tia
ảnh
ảo
Điều
chỉnh mặt
tiêu cự
Chia
tia
Thanh
lọc

Mẫu
maMẫu
12
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
chưa hoàn toàn được hiểu rõ. Quá trình thường được coi như là một chuỗi các bước :
bắt đầu bằng bức xạ laser tương tác với các mẫu rắn, hấp thụ năng lượng và nâng
nhiệt tại vị trí trên bề mặt, và các vật liệu bay hơi. Kết quả các tính chất và các thành
phần của các chùm ăn mòn có thể là một kết quả của va chạm hạt trong chùm thông
qua chùm bức xạ laser tương tác. Cuối cùng các chùm va chạm trên chất nền được
bao phủ; vật liệu tới có thể được thu nhận, bật ngược lại vào pha khí, hoặc bổ sung

vào bề mặt tới (thông qua phun, nén …).
Các mẫu tương tác laser sẽ có độ nhạy phụ thuộc vào bản chất và điều kiện
của vật mẫu và các thông số xung laser (bước sóng, cường độ, thông lượng, thời gian
xung …). Các chùm laser tương tác cũng phụ thuộc vào các tính chất của các bức xạ
laser. Trong quá trình ăn mòn, các chùm sẽ rất nhạy với các va chạm vì vậy chất
lượng của chân không là rất quan trọng. Rõ ràng, cuối cùng, thành phần và sự phân
bố vận tốc (hoặc phân bố các thành phần chùm phương pháp ăn mòn laser, trong
trường hợp một thành phần đa chùm ăn mòn) của vật liệu phun có thể được phản ánh
trong các đặc điểm chi tiết của bất màng lắng nào.
Sử dụng bức xạ laser excimer để ăn mòn một loạt các mẫu là vật liệu nguyên
mẫu ví dụ như vật liệu cơ bản như than chì, CVD kim cương, Cu và Al, chất có hai
thành phần như ZnO và LiF, và các loại nguyên vật liệu polyme,trong chân không và
trong các chất khí nền có áp suất thấp hơn áp suất không khí (He, Ar, H
2,
N
2,
) [11].

13
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
Hình 1.7. Sơ đồ ăn mòn laser tạo màng mỏng
1.5.2 Ăn mòn laser chế tạo vật liệu nano dạng rắn
Chế tạo hạt nano Cu bằng ăn mòn laser trong dầu polysiloxane ( keo silicone).
Có rất nhiều loại silicone mà các thuộc tính vật lý như mật độ , độ dẻo, ý nhiệt,điểm
sôi…biến thiên phụ thuộc vào khối lượng phân tử của chúng. Do đó,người ta có thể
chọn một loại dầu thích hợp để điều khiển điều kiện ăn mòn.Độ bền hóa học và sự
trong suốt trong quang học của polysiloxane cũng là một thuộc tính thuận lợi khi
kiểm soát ăn mòn laesr và thuộc tính quang của hạt nano.Thêm vào, polysiloxane dễ
đông lại ở nhiệt độ phòng bằng cách pha lẫn chất thích hợp.Quá trình làm đông đặc
này có thể sử dụng để chế tạo chất rắn,tức là hạt/hợp chất tổng hợp.

Hình 1.8: Mô hình ăn mòn laser tạo vật liệu nano rắn
Tia laser
Tấm kim
loại
Dầu
polysiloxane
14
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
Ăn mòn laser được tiến hành nhờ sử dụng một hệ thống quang học ở hình 1.8.
Nguồn sáng là một họa ba bậc hai (SHG) của laser Nd:YAG,nghĩa là, bước sóng
532nm, năng lượng xung 0,2J ,khoảng thời gian xung:5ns, tốc độ lặp :10Hz. Chùm
laze được chiếu tới bề mặt của cốc thủy tinh dưới góc Brewster khoảng 60
0
để làm
giảm sự hao phí do phản xạ. Hệ ăn mòn bao gồm một thanh đồng ( độ dày: 0.5 mm,
kích thước 19x30 mm
2
) và chất lỏng (nước hoặc dầu) với thể tích 8 ml được đặt trong
cốc thủy tinh. Thanh Cu được đặt nghiêng tỳ vào thành cốc sao cho chùm laze chiếu
thẳng góc với thanh. Mật độ năng lượng là 1.4 MW/ mm
2
tại bề mặt thanh, khi đường
kính chùm laze là 6 mm. Sự ăn mòn laze còn tiếp tục trong 10 phút. Sau đó thanh Cu
được mang ra khỏi chất lỏng, và mẫu (chất lỏng cùng với hạt đồng) được cho vào
một tế bào acrylic để cho các phép đo quang học.
Ăn mòn laser trong dầu polysiloxane rất có hiệu quả trong việc ngăn chặn sự
oxi hoá và kết tụ của các hạt nano Cu, là vấn đề hay gặp khi chế tạo hạt trong nước.
Việc quan sát TEM đã chỉ ra rằng các hạt Cu cỡ 2-20 nm đã được chế tạo trong dầu.
Cả kích thước hạt và hiệu suất quá trình thay đổi đáng kể đều phụ thuộc vào loại dầu.
Polysiloxane có thể hóa rắn tại nhiệt độ phòng bằng cách trộn với một chất curing, và

hợp chất polymer bao gồm các hạt nano Cu được chế tạo một cách dễ dàng. Các thí
nghiệm này đã chứng minh rằng polysiloxane là một dung môi có ích cho chế tạo và
bảo quản hạt nano kim loại.
1.5.3 Ăn mòn laser tạo vật liệu nano dạng khí
Ăn mòn laser là một phương pháp phân tích nhanh chóng mà thường sử dụng
vật kính để tập trung xung cực tím UV, chùm laser lên trên bề mặt mẫu rắn với
cường độ đủ để ăn mòn một lượng nhỏ vật liệu.
Một đám hơi vật chất bốc bay trênbề mặt mẫu. Điều này có thể có được là kết
quả được chế tạo từ một xung laser, hoặc từ một số xung laser. Ngoài ra, các laser có
thể được lặp lại ở tỷ lệ 1-20 Hz (hoặc nhiều hơn) cho một khoảng thời gian lâu dài ở
bất kỳ nơi nào từ vài giây đến một phút (hay nhiều hơn), tạo ra một đám hơi vật chất
ổn định bốc lên từ bề mặt mẫu.
15
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
Các khói ăn mòn liên tục trộn với dòng khí vận chuyển di chuyển qua các tế bào
ăn mòn. Các khí vận chuyển thông thường là argon hay kết hợp của argon và Heli.
Khí vận chuyển quét khói ăn mòn hút ra khỏi tế bào vào một chiều dài ốngdẫn đến
thiết bị bên ngoài, mà thường là một phổ kế phát plasma cảm ứng kép ICP
(Inductively Coupled Plasma emission spectrometer) hoặc phổ kế ICP-MS (mass
spectrometer) là dụng cụ nhận biết thành phần phân tử và nồng độ các hoá chất khác
nhau trong các mẫu nước và đất. Các nguyên tố ICP và ICP-MS thực hiện các công
cụ phân tích về ngồn gốc của chất rắn bằng cách phân tích của phổ phát quang hoặc
phổ khối lượng của khói ăn mòn mà bị nguyên tử hóa và / hoặc ion hóa của nhiệt
plasma argon.So sánh hai máy phân tích, ICP-MS có nhạy hơn, tuy nhiên nó cũng đắt
hơn và đòi hỏi phải bổ sung và bảo trì nhiều hơn. Ăn mòn laser loại bỏ các bước
thông thường cần thiết cho phân tích chất rắn của ICP và ICP-MS (được thiết kế khác
như máy phân tích chất lỏng). Hầu hết các sản phẩm thương mại có sẵn sự kết hợp
các hệ thống ăn mòn laser một kính hiển vi để lựa chọn hình ảnh của video camera
với laser chùm "nhắm mục tiêu" trên các mẫu trên bề mặt[8].
Hình 1.9 : Sơ đồ của một hệ thống ăn mòn laser

16
Máy tính điều chỉnh
hệ quan sát
Bánh xe khẩu độ
Kính phân cực
Khí vận chuyển
từ ICP
Điều khiển X-Y
Đèn chiếu
cường độ cao
Đèn chiếu
phân cực thấp
Laser Nd:YAG 1064nm
Hòa ba bậc bốn 266nm
hoặc hòa ba bậc năm 213
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
Như được hiển thị trong hình 1.9, kết hợp hai đường dẫn quang (laser máy ảnh
và video) có thể đạt được bằng cách sử dụng một gương phản xạ ánh sáng laser vào
mẫu, nhưng nhìn thấy màu trắng ánh sáng truyền từ mẫu tới video camera.
1.5.4 Ăn mòn laser chế tạo vật liệu nano dạng dung dịch
Một phương pháp mới được nghiên cứu gần đây là phương pháp ăn mòn laser
trong chất lỏng [12]. Hạt nano bạc được sản xuất bằng ăn mòn laser trực tiếp của bản
kim loại trong dung dịch chứa chất hoạt động bề mặt với xung laser nano giây bắn ra
xung năng lượng cao. Phương pháp cho phép tạo ra các hạt kích thước hạn chế cỡ
nano với độ phân tán khá cao trong dung dịch. Vật liệu ban đầu là một tấm bạc được
đặt trong một dung dịch có chứa một chất hoạt hóa bề mặt.Sơ đồ thí nghiệm được bố
trí như hình 1.10. Một chùm Laser xung có bước sóng 532 nm, độ rộng xung là 10 ns,
tần số 10 Hz, năng lượng mỗi xung là 90 mJ, đường kính vùng kim loại bị tác dụng
từ 1-3 mm. Dưới tác dụng của chùm laser xung, các hạt nano có kích thước khoảng
10 nm được hình thành và được bao phủ bởi chất hoạt hóa bề mặt C

n
H
2n+1
SO
4
Na với
n = 8, 10, 12, 14 với nồng độ từ 0,001 đến 0,1M.
Hình 1.10: Thí nghiệm chế tạo hạt nano bạc bằng phương pháp ăn mòn laser
6. Ứng dụng của phương pháp phương pháp ăn mòn laser
1.6.1 Ứng dụng trong công nghiệp may mặc
17
Dung dich chất hoạt
hoá bề mặt
g diòch châìt
hoaòt hoìa
bêÌ măòt
Thấu kính
Xung Laser
miếng bạc
25cm
cm
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
Trong kiểm soát thời trang, ăn mòn laser được áp dụng để loại bỏ các vật liệu
từ một bề mặt vật rắn. Nó cũng có thể được dùng để khoan các lỗ nhỏ và khoan các
lỗ sâu trong các vật liệu khó có thể khoan bằng mũi khoan thường. Xung laser rất
ngắn để loại bỏ các tài liệu một cách nhanh chóng . Trong khi đó các vật liệu xung
quanh hấp thụ nhiệt rất ít, do đó, khoan laser có thể được thực hiện trên tinh vi hoặc
nhiệt-vật liệu nhạy cảm, bao gồm men răng (laser nha khoa).
Ngoài ra, laser năng lượng có thể được hấp thu chọn lọc bởi màng phủ, đặc biệt
là về kim loại, do đó, xung lasers CO

2
hoặc Nd: YAG có thể được sử dụng để làm
sạch bề mặt, loại bỏ sơn hoặc mạ, hoặc chuẩn bị cho bề mặt sơn mà không gây tổn
hại cho các bề mặt. Laser năng lượng cao có thể làm sạch tại chỗ chỉ với một xung
laser. Xung laser năng lượng thấp sử dụng nhiều xung nhỏ mà có thể quét qua một
vùng không gian.
Những lợi thế là:
• Không có dung môi được sử dụng, do đó, nó thân thiện với môi trường và
vận hành không tiếp xúc với hóa chất.
• Nó tương đối dễ dàng tự động hoá, ví dụ như, bằng cách sử dụng robot.
• Các chi phí hoạt động thấp hơn là phương tiện truyền thông khô hoặc CO
2
băng nổ, mặc dù nguồn vốn đầu tư chi phí cao hơn nhiều.
• Quy trình thoải mái hơn kỹ thuật mài mòn vật liệu, ví dụ như sợi carbon hợp
trong một vật liệu sẽ không bị phá hỏng.
• Nhiệt của các mẫu là tối thiểu.
1.6.2 Ứng dụng trong sản xuất sợi các bon
Một hướng mới là sử dụng các ứng dụng của phương pháp ăn mòn laser để xử
lý những vật liệu với các hình thức mới, hoặc tạo các loại mà không thể hoặc rất khó
khăn sản xuất bằng cách khác. Một ví dụ gần đây là sản xuất ống các bon.
18
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
Trong tháng ba 1995 Guo et al đã là người đầu tiên báo cáo việc sử dụng một
laser để ăn mòn một khối than chì nguyên chất và sau đó than chì trộn với các xúc tác
kim loại. Các xúc tác kim loại có thể bao gồm các yếu tố như: Cơ, nb, Pt, Ni, Cư, hay
một sự kết hợp hai nguyên tố đó. Các hợp khối được hình thành bằng cách dán bột
than chì, keo các bon, và kim loại, tiếp theo là đặt trong một khuôn hình trụ và nung
trong nhiều giờ. Sau khi đông đặc, các khối than chì được đặt bên trong một lò nướng
với một số laser tại đó, và khí Ar được bơm dọc theo hướng của laser điểm. Các lò
nướng nhiệt độ khoảng 1200 ° C. Khi laser ăn mòn mẫu, ống các bon được tạo và

được làm dài ra dưới dạng của các luồng khí trên chỉnh lưu lạnh bằng kim loại. Khí
sẽ phân giải ra các phân tử carbon. Những phân tử này sẽ tụ trên một bề mặt phủ
những hạt kim loại như Fe, Co, Ni có kích cỡ nanomét. Hạt kim loại là những chủng
tử xúc tác từ đó phân tử carbon sẽ chồng chập lên nhau tạo thành ống nano. Đường
kính của hạt kim loại cũng là đường kính của ống. Sự thành hình ống nano không
phức tạp, nhưng tạo ra những ống nano giống nhau có cùng đặc tính, cấu trúc, kích
thước trong những đợt tổng hợp và sau đó tinh chế để gạn lọc tạp chất, đòi hỏi những
điều kiện vận hành một cách cực kỳ chính xác.
1.6.3 Ứng dụng trong sinh học
Phương pháp ăn mòn laser ứng dụng trong sinh học và có thể được sử dụng để
tiêu diệt và các mô thần kinh. Nó được thực hiện nhờ tăng nhiệt độ nhanh của mẫu
hấp thụ mạnh trong suốt thời gian của xung laser ngắn khi ảnh hưởng của nhiệt độ
khuyếch tán là tối thiểu. Kết quả là dựa trên cân bằng năng lượng đơn giản, ngưỡng
công suất laser cho vụ nổ nhiệt của hạt nano vàng khác nhau vào cỡ khoảng 25-40
mJ/cm
2

. Vụ nổ của hạt nano có thể xảy ra bởi plasma quang , sự phát sóng xung kích
với vụ nổ siêu âm và sự phân mảnh hạt với các mảnh có động năng cao , tất cả chúng
có thể góp phần giết chết tế bào ung thư. Quang nhiệt phân của xung laser và hạt
nano hấp thụ (ví dụ nano vàng , nano cacbon) đã chứng minh được điện thế lớn cho
sự phá huỷ có lựa chọn các tế bào ung thư , vi khuẩn , vi rut và DNA. Khi hạt nano bị
chiếu bởi laser xung ngắn, nhiệt độ tăng rất nhanh có thể tới ngưỡng của hiện tượng
phi tuyến (ví dụ phát hoạ ba và sóng xung kích) dẫn tới chữa lành được các mẫu hư
hỏng (ví dụ các tế bào dị thường). Bằng năng lượng của bước sóng laser, thời gian
19
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
xung, kích thứơc và hình dạng hạt , công nghệ này có thể cung cấp phá huỷ định xứ
cao, thế rất đa dạng từ vài nano met (ví dụ trong DNA với laser femto ) tới 10 micro
(cỡ của một tế bào ung thư ) không phá huỷ các mô khoẻ mạnh xung quanh .Giữa các

nano có cấu trúc khác nhau , hạt nano vàng trong các biến thể khác nhau (ví dụ cầu,
que và vỏ) chúng đều có triển vọng làm đối tượng cho nhạy bén nhiệt quang khi
chúng hấp thụ mạnh, ổn quang, không độc, dễ dàng kết hợp với các kháng thể hoặc
các protein và điều chỉnh được các tính chất quang. Đây là những khám phá được
tích tụ của hạt nano vàng trên màng của tế bào và đặc biệt sự tạo chùm hạt nano vàng
dẫn đến tăng ấn tượng trong hiệu suất tạo bọt , kết quả trong nhiều tế bào ung thư lựa
chọn phá huỷ với công suất laser tương đối thấp là 60-80 mJ/cm
2
mà vẫn giữ được
các mô bình thường .
1.6.4 Phẫu thuật cho tế bào bằng phương pháp ăn mòn laser
Với chùm tia laser cực mạnh, kéo dài trong một phần triệu của một phần tỷ
giây, các nhà nghiên cứu Anh đã cho bốc hơi các cấu trúc nhỏ bé bên trong tế bào mà
không làm phương hại đến chính tế bào đó. Tương lai, kỹ thuật này có thể được dùng
để thực hiện các cuộc vi phẫu thuật siêu chính xác.
Nhà vật lý Eric Mazur của Đại học Harvard và cộng sự đã phá huỷ một ty thể
đơn (nhà máy năng lượng) của tế bào, trong khi vẫn giữ cho hàng trăm cấu trúc khác
ở cạnh đó còn nguyên vẹn, và cắt một mối liên kết thần kinh của tế bào mà không
làm chết nó. Kỹ thuật này được nhóm nghiên cứu đặt tên là phẫu thuật nano laser.
“Loại dao mổ laser này sản sinh ra năng lượng tương đương với nhiệt lượng
trong lòng mặt trời, nhưng chỉ kéo dài trong một phần mười luỹ thừa ba mươi của
một giây, và phân bố trên một diện tích rất hẹp, có đường kính chỉ vài phần trăm triệu
của một milimét”, Donald Ingber, một nhà sinh học tế bào tại Harvard, nói. Do sự tập
trung năng lượng cao độ như vậy, ánh sáng sẽ chỉ đốt cháy điểm mà nó chiếu tới chứ
không hề đụng chạm đến các mô xung quanh và tế bào dễ dàng chịu đựng được ca vi
phẫu.
Các phương pháp thao tác bên trong tế bào hiện tại, như sử dụng ánh sáng
hoặc từ trường, thường làm hư hại những mô xung quanh và có độ chính xác cũng
kém hơn.Nhóm nghiên cứu của Đại học Harvard đang xem xét ứng dụng phẫu thuật
20

Website: Email : Tel (: 0918.775.368
bằng laser trên tế bào động vật. Vài tháng trước, họ đã bắt đầu công trình này trên
loài sâu nhỏ có tên khoa học là Caenorhabditis elegans. Bằng việc thiêu đốt một tế
bào thần kinh đơn lẻ, nhóm đã loại bỏ được khả năng khứu giác của con vật này.
Mazur cho biết, trong tương lai, các dao mổ laser có thể cắt sâu vào bên trong các mô
mà không mở rộng vết thương của bệnh nhân, hoặc có thể dùng tiêu diệt các khối u
ngay khi chúng còn ở giai đoạn trứng nước - tức chỉ có vài tế bào. Ngoài ra, kỹ thuật
này có thể có ích trong việc nghiên cứu các quá trình bên trong tế bào, như sự phân
chia của nó.
21
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
CHƯƠNG 2:THIẾT BỊ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Thiết bị sử dụng trong phương pháp ăn mòn laser
Thực nghiệm phương pháp ăn mòn laser để chế tạo hạt nano kim loại được
thực hiện tại Bộ môn Quang Lượng Tử - Khoa Vật Lý - Trường Đại học Khoa Học
Tự Nhiên.
2.1.1. Thiết bị : Laser Nd: YAG Quanta Ray Pro 230 [13]
Laser Nd:YAG Quanta Ray Pro 230 được chế tạo bởi hãng Spectra – Physics,
theo đúng tiêu chuẩn của Hoa Kỳ, là một trong những laser rắn hiện đại và có công
suất lớn nhất hiện nay.
a)Cấu tạo laser Nd:YAG Quanta Ray PRO-230
Laser gồm có 3 phần chính: đầu laser, power supply và bộ điều khiển
* Đầu laser
Đầu laser bao gồm buồng cộng hưởng quang học, thanh hoạt chất Nd:YAG,
đèn bơm flash tạo dao động, khuyếch đại và bộ hoà ba.
Hình 2.1: Đầu laser
* Power supply
22
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
Power supply là một thiết bị bao gồm các hệ thống mạch điện AC/DC cung

cấp điện cho toàn bộ đầu laser. Ngoài ra nó còn chứa máy bơm và hệ thống làm mát
bằng nước. Hệ thống làm mát bằng nước của laser có nguyên lý bao gồm hai vòng
tách biệt nhau. Có một vòng khép kín nước sạch từ power supply đến đầu laser và
nước nóng khi quay về power supply sẽ được làm mát bằng một nguồn nước khác
nối với máy bơm bên ngoài tạo thành một vòng khép kín thứ hai. Các thông số của
power supply: sử dụng nguồn điện một pha, 190-260V, 53/60Hz, < 25A.
Hình 2.2: Power supply
* Bộ điều khiển
Bộ điều khiển giúp ta điều khiển hoạt động của laser một cách linh hoạt phù
hợp trong phòng thí nghiệm. Bao gồm điều khiển chế độ đóng ngắt laser, năng lượng
xung, chế độ phát xung...
Hình 2.3: Bộ điều khiển
23
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
b)Đặc điểm của laser Nd: YAG Quanta Ray Pro 230:
- Phát được ở chế độ xung và liên tục. Khi hoạt động ở chế độ Q - Switching,
năng lượng xung tối đa là 1200 mJ, độ rộng xung từ 7 – 10 ns.
- Hiệu suất khá cao, cỡ vài phần trăm.
- Hoạt động theo sơ đồ 4 mức năng lượng.
- Ngưỡng kích thích thấp.
- Độ dẫn nhiệt cao.
- Nguồn bơm cho laser Nd:YAG là đèn Kripton. Năng lượng của đèn khá phù
hợp với phổ bức xạ của ion Nd.
- Hoạt chất của laser này là tinh thể Ytrium Aluminium Garnet Y
2
Al
5
O
12
có pha

tạp ion Nd
+3
làm tâm hoạt chất.
2.1.2. Hóa chất
Vật liệu ban đầu là một miếng kim loại bạc, vàng (độ tinh khiết 99,99%) có
đường kính khoảng 2-3 mm, được dát mỏng có độ dày khoảng 1 mm.
Trong phạm vi luận văn, chúng tôi sử dụng các dung môi khác nhau như:
Trisodium Citrate Đihydrat (SCD), Sodium Dodecyl Sulfate (SDS) và chất hoạt hóa
bề mặt Polyvinyl Alcohol (PVA) để chế tạo các hạt nano kim loại.
Tên hóa chất Công thức Tính chất
Trisodium
Citrate Đihydrat
(SCD)
C
6
H
7
Na
3
O
7
.2H
2
O
CH
2
- COONa
HO - C - COONa
CH
2

– COONa
Tồn tại ở dạng tinh thể màu trắng.
Hoà tan trong nước và không hoà
tan trong cồn. Khi xông hơi có
biểu hiện rõ rệt với không khí.
Sodium Dodecyl
Sulfate (SDS)
3 2 11 3
( )CH CH O SO Na
+
− − − −
Chất ở dạng tinh thể màu trắng, có
thể hòa tan trong nước
Polyvinyl Chất không mùi, không độc, có
24
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
Alcohol (PVA)
2
( )
n
CH CHOH− − −
thể hòa tan dung làm dung môi.
PVA có sức căng và độ đàn hồi
cao phụ thuộc vào độ ẩm của nó.
Bảng 2.1: Các loại hóa chất
2.2. Các phương pháp nghiên cứu
2.2.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X
a) Nguyên tắc hoạt động
Phương pháp nhiễu xạ tia X được dùng để xác định vật liệu được tạo thành,
cấu trúc tinh thể, kích thước trung bình của tinh thể [3]. Dựa trên ảnh hưởng khác

nhau của kích thước tinh thể lên phổ nhiễu xạ tia X. Phương pháp nhiễu xạ tia X cho
phép xác định kích thước tinh thể dựa trên phân tích hình dáng và đặc điểm của
đường cong phân bố cường độ của đường nhiễu xạ tia X dọc theo trục đo góc 2θ.
Cơ sở của phổ nhiễu xạ tia X là: Khi chiếu một chùm tia X có bước sóng từ
10
-9
- 10
-12
m vào một tinh thể thì tia X sẽ bị tán xạ theo các phương khác nhau trên
mặt phẳng khác nhau của tinh thể. Sau khi tán xạ chúng sẽ giao thoa với nhau, tạo
nên các cực đại, cực tiểu giao thoa tuỳ thuộc vào hiệu quang trình của chúng. Chùm
nhiễu xạ từ vật liệu phụ thuộc vào bước sóng của chùm điện tử tới và khoảng cách
mặt mạng trong tinh thể, tuân theo định luật Bragg:
nλ = 2dsinθ (2.1)
Bằng cách sử dụng mẫu chuẩn, nhiễu xạ với cùng điều kiệnvới mẫu nghiên
cứu, sự nhoè rộng bởi điều kiện thực nghiệm được loại bỏ. Sự nhoè rộng của phổ
nhiễu xạ tia X thu được là do bản thân của mẫu nghiên cứu được gọi là sự nhòe rộng
vật lý và độ rộng gọi là độ rộng vật lý β.
Độ rộng vật lý liên quan đến kích thước tinh thể theo phương trình Scherer:
D = k
cos
λ
β θ
(2.2)
Với D là kích thước tinh thể, k = 0.94 là hệ số tỉ lệ. Do kích thước tinh thể D
theo chiều vuông góc với mặt nhiễu xạ tỷ lệ nghịch với cosθ, nên để xác định kích
25