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

NHIỄU XẠ TIA X (XRD)
GV: TS. Lê Trấn
HVCH: Phạm Thanh Tuân
PHƢƠNG 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
Dòng đốt nóng
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
có bƣớc sóng tƣơng đƣơng với
khoảng cách giữa các ngun
tử trong tinh thể cỡ 10 kV

• Tia X phát ra trong các va chạm
giữa electron và ngun tử của
anot. Mỗi electron mất năng
lƣợng theo các cách khác nhau
nên phổ tia X thu đƣợc 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, ngƣời ta dùng các kim loại khác
nhau làm anot. Mối quan hệ giữa , X đƣợc mô tả bởi định luật
Moseley:
1/  = R(Z-1)(1-1/n
2
)

: bƣớc 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 tƣơng ứng
Nguyên tố Z K1 (nm) K2 (nm) K Ngưỡng V
Cr 24 0,229361 0,228970 0,208487 5950

Fe 26 0,193736 0,193998 0,193604 7100
Co 27 0,179026 0,179285 0,178897 7700
Ni 28 0,1662 0,1658 0,1500 8300
Cu 29 0,154184 0,154439 0,1544056 9000
Mo 42 0,071073 0,071359 0,070930 20000
Ag 47 0,0564 0,0559 0,0497 25600
Giá trị bước sóng vạch tia X đặc trưng


Phổ hấp thụ tia X
 Khi bƣớc tia X sóng giảm (năng lƣợng
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  vƣợt quá biên hấp thụ, độ hấp thụ giảm dần vì năng
lƣợng của tia X quá lớn, tia X có thể đâm xuyên qua môi trƣờng
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
của K (%)
Cr - K
V 0,018 50
Fe - K

Mn 0,016 46
Cu - K
Fe 0,018 44
Cu - K
Ni 0,021 40
Mo - K
Zn 0,108 31
 Trong nghiên cứu nhiễu xạ tia X thƣờng sử dụng tia K của của các
kim loại khác nhau (đặc biệt là kim loại Cu). Vì các vạch K có năng
lƣợng lớn, không bị hấp thụ bởi vật liệu nghiên cứu, độ đơn sắc cao.
Định luật BRAGG
- Hiệu quang l ca hai tia là: DE + EF
- Khi hiệu quang l là mt số nguyên ln bước sóng th cc
tia phn xạ t họ mt mạng ca tinh th được tăng cưng
tc là có hiện tượng nhiu xạ


sinEF d


sinDE d


2 sinDE EF d


2 sinnd


Đnh lut Bragg:

2 sinnd


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


Gi đỡ
A
B
C
Vòng gic kế
Đầu phát tia X

– Detector nhấp nháy
– Gas-filled proportional counters
– CCD area detectors
– Image plate
– X-ray film
Detector
Detector nhấp nháy
• Detector thông dụng nhất trong việc phân tích vật liệu bởi nhiễu
xạ tia X
• Detector có 2 thành phần cơ bản
– Tinh thể phát ra ánh sáng thấy (scintillates) khi tƣơng tác với
tia X
– Ống nhân Quang (PMT): chuyển ánh sáng thành tín hiệu
điện.
NaJ(Tl) scintillator
emits around
4200Å
CsSb photocathode – ejects electrons
gain ~5 per
dynode (total
gain with ten
dynodes is
5
10
 10
7
)
Phân loại phương pháp nhiễu xạ
Theo dạng mẫu

Bột
Khối
Màng
Đơn tinh thể
Theo mục tiêu
Định lƣợng
Định tính
Phương pháp nhiễu xạ tia X
Laue Quay tinh thể Debye-Scherrer
S định hướng
Đơn tinh th
Chm đa sắc
C định góc tới
Hng s mạng
Đơn tinh th
Chm đơn sắc
Thay đổi góc tới
Các thông s mạng
Đa tinh th (bt)
Chm đơn sắc
Thay đổi góc tới
Tinh theå
Tia X tôùi


Gi đỡ
A
B
C
Vòng gic kế



Gi đỡ
A
B
C
Vòng gic kế
• Phân tích đƣợc hầu hết các loại vật liệu
đa tinh thể: vô cơ, hữu cơ,
khoáng,…nhƣng 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
ngƣời vận hành máy tạo ra: tạo
mặt phẳng, làm giảm kích thƣớc
hạt tối ƣu, điều chỉnh vị trí tới của
tia X.
2 sinnd


.
2.sin 2.sin
n
d



0 2 90 0 45


    
22
2.
2
d


Hệ tinh thể Các thông số Góc giữa các trục
Một số cách tính lý thuyết