BG Các phương pháp vật lý phân tích cấu trúc vật rắn trong khoa học vật liệu Dr. Nguyen Anh Tuan

HANOI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
INTERNATIONAL TRAINING INSTITUTE FOR MATERIALS SCIENCE

CÁC PHƯƠNG PHÁP VẬT LÝ
PHÂN TÍCH CẤU TRÚC VẬT RẮN
TRONG KHOA HỌC VẬT LIỆU
Dr. NGUYEN ANH TUAN

HANOI-2007


MỤC ĐÍCH MÔN HỌC
1.

Về mặt lý thuyết: Nắm được các nguyên lý cơ bản của một số
phương pháp/kỹ thuật vật lý thông dụng trong việc phân tích cấu trúc
bên trong và bề mặt của các vật rắn, cũng như màng mỏng chất rắn
trong Khoa học Vật liệu, gồm 4 nhóm phương pháp:
+ Các phương pháp trên cơ sở nhiễu xạ (XRD, ED, ND)
+ Các phương pháp hiển vi hiển vi điện tử (TEM, STEM, SEM)
+ Các phương pháp phân tích phổ (Auger, EPMA, XRF, XPS, EELS,...)
+ Các hiển vi đầu dò quét (SPM: AFM, MFM, STM, SNOM,...)

2.

Về mặt thực hành: Nắm được một số kỹ năng thực hành, kỹ thuật
phân tích các yếu tố/thông số cơ bản của cấu trúc vật rắn để thấy
được những ứng dụng thông dụng của các phương pháp / kỹ thuật
nêu trên. Nắm được các ưu nhược điểm và phạm vi/giới hạn của
từng phương pháp phân tích. Bước đầu có thể áp dụng thực tế trong
việc phân tích mẫu chất rắn / vật liệu.

NATuan-ITIMS-2007


NỘI DUNG BÀI GIẢNG
CHƯƠNG 1: CẤU TRÚC CỦA VẬT RẮN
1.1. Cấu trúc nguyên tử.
1.2. Chất rắn và các liên kết trong chất rắn.
1.3. Cấu trúc tinh thể của chất rắn - Mạng tinh thể và đối xứng tinh thể.
1.4. Cấu trúc vật rắn vô định hình.

CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP NHIỄU XẠ
2.1. Cơ sở của nhiễu xạ - Lý thuyết tổng quát.
2.2. Nhiễu xạ tia X (XRD).
2.3. Nhiễu xạ điện tử (ED).
2.4. Nhiễu xạ nơtron (ND).

CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP HIỂN VI
3.1. Cơ sở của HV - Hiển vi quang học (OM).
3.2. Hiển vi điện tử truyền qua (TEM).
3.3. Hiển vi điện tử quét (SEM).
3.4. Các loại hiển vi khác (hiển vi laze đồng tiêu, hiển vi tia X, hiển vi nơtron, ...).
NATuan-ITIMS-2007


NỘI DUNG BÀI GIẢNG
CHƯƠNG 4: CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PHỔ
4.1. Giới thiệu.
4.2. Các phương pháp phân tích phổ điện tử.
4.3. Các phương pháp phân tích phổ ion.
4.4. Các phương pháp phân tích khối phổ.

CHƯƠNG 5: CÁC PHƯƠNG PHÁP HIỂN VI ĐẦU DÒ QUÉT (SPM)
5.1. Hiển vi lực nguyên tử (AFM).
5.2. Hiển vi đầu dò quét hiệu ứng xuyên ngầm (STM).
5.3. Hiển vi lực từ (MFM).
5.4. Hiển vi quang học quét trường gần (SNOM).
5.5. Một số loại hiển vi đầu dò quét (SPM) đặc biệt khác.

CHƯƠNG 6: CÁC BÀI THỰC HÀNH
6.1. Phân tích cấu trúc đơn tinh thể bằng nhiễu xạ Lauer.
6.2. Phân tích cấu trúc đa tinh thể bằng phương pháp nhiễu xạ bột.
6.3. Phân tích pha định tính, định lượng.
6.4. Quan sát hình thái/cấu trúc bề mặt bằng hiển vi điện tử quét.
6.5. Quan sát hình thái/cấu trúc bề mặt bằng hiển vi lực nguyên tử.
NATuan-ITIMS-2007


TÀI LIỆU THAM KHẢO CHÍNH
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.

10.

“Materials science and technology”, Ed. by R.W. Cahn, P. Haasen and E.J.
Kramer, Vol. 1&2 A & B, VCH Weinheim, 1993.
“Elemen of X-ray diffraction”, B.D. Culity and S.R. Stock; Prentice Hall, 2001.
“Diffraction for Materials Scientists” by J.M. Schultz, Prentice-Hall, Inc.,
Englewood Cliffs, New Jersey 1982.
“Electron Microscopy in Material Science” ed. by U. Valdrè; Academic Press
Inc., New York and London 1971.
“Fundamental of surface and thin film analysis ”, L.C. Feldman and J.W.
Mayer, North Holland, Amsterdam, 1986.
“Electron Microscopy of thin crystals ”, P.B. Hirsch, London, 1965.
“Scanning tunneling microscopy and related methods”, NATO ASI series E,
Vol. 184, 1990.
“Electron Scattering and Related Spectroscopies”, by M. De Crescenzi and
M.N. Piancastelli; World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd. 1996.
“Analytical Techniques for Thin films” Ed. by K.N. Tu and R. Rosenberg
(Treatise on Materials Science and Technology, Vol. 27); Academic Press, Inc.;
Hardcourt Brace Jovanovich, Publishers, 1988.
“Practical surface analysis” – 2nd ed. by David I. Briggs, John Wiley & Sons
1996.
NATuan-ITIMS-2007


CHƯƠNG 1: CẤU TRÚC CỦA VẬT RẮN

1.1. Cấu trúc nguyên tử
1.1.1. Cấu tạo nguyên tử
1.1.2. Phân bố điện tử trong nguyên tử
1.1.3. Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học
1.2. Chất rắn và các liên kết trong chất rắn
1.3. Cấu trúc tinh thể của chất rắn - Mạng tinh thể và đối

xứng tinh thể
1.4. Cấu trúc vật rắn vô định hình.

NATuan-ITIMS-2007


CHƯƠNG 1: CẤU TRÚC CỦA VẬT RẮN
1.1.1. Cấu tạo nguyên tử
– Nguyên tử: hạt nhân (p & n) + e– Điện tích: |e| = 1.6 x 10-19C
– Khối lượng: mp ≈ mn ~ 1.67 x 10-27 kg
(~ 1.67 x 10-24 g); me ~ 9.11 x 10-31 kg.
– Số nguyên tử: Z = số p trong hạt nhân. Đ/v nguyên tử trung hòa điện, Z = số
điện tử. Z của các nguyên tố trong bảng tuần hoàn: từ 1 (H) - 94 (Pu).
– Khối lượng nguyên tử: A = ∑mp + ∑mn
Đ/v một nguyên tố cho trước: số proton là như nhau cho các ng.tử,
nhưng số neutron (N) có thể khác nhau → các đồng vị khác nhau.
A≅Z+N
– Đơn vị khối lượng nguyên tử (amu):
• Khối lượng mỗi proton (hay nơtron) là ~ 1.67 x 10-24 g, được quy ước là
đơn vị khối lượng của nguyên tử.
• Khối lượng nguyên tử carbon đồng vị là 12 (6 proton & 6 nơtron), (12C),
nghĩa là: A = 12 amu. Như vậy 1 amu = 1/12 .
– Như vậy có 0.6023 x 1024 amu/g Ö Số Avogadro
Ö là số proton (hay nơtron) cần thiết để tạo ra một khối lượng là 1 gram.
Ö hay là số nguyên tử/phân tử có trong 1 mol chất.
NATuan-ITIMS-2007


CHƯƠNG 1: CẤU TRÚC CỦA VẬT RẮN
1.1.2. Phân bố điện tử trong nguyên tử

Xác suất
1

0
Khoảng cách
đến hạt nhân

Mẫu nguyên tử Bohr
(Mẫu hành tinh)

Điện tử
quỹ đạo

Hạt nhân

Đám mây
điện tử

Mẫu nguyên tử theo cơ học sóng
(so sánh với mẫu Bohr)
NATuan-ITIMS-2007


CHƯƠNG 1: CẤU TRÚC CỦA VẬT RẮN
Các số lượng tử của điện tử trong nguyên tử:
n: Số lượng tử chính (n = 1, 2, 3, ...), mô tả kích thước của quỹ đạo (hay đám mây
phân bố mật độ điện tử: n = 2 > n = 1) và biểu thị gián tiếp năng lượng của các quỹ
đạo điện tử.
l: Số lượng tử góc (l = 0, 1, ... n -1), mô tả hình dạng của quỹ đạo: với l = 0 → hình

cầu; l = 1 → hình cực (hình quả tạ); l = 2 → hình lá chẻ; v.v... Với l = 0 chỉ có một
cách định hướng duy nhất trong không gian (hình cầu); với các trường hợp l ≠ 0
còn có những hướng khác nhau trong không gian.
m: Số lượng tử từ (m = - l, - (l + 1), ..., (l + 1), l), mô tả sự định hướng trong không
gian của mỗi quỹ đạo điện tử riêng biệt (còn ký hiệu là ml).
s: Số lượgn tử spin (s = - 1/2; +1/2), mô tả sự định hướng spin của điện tử trên mỗi
quỹ đạo (còn ký hiệu là ms).

l=0

l=1

l=2
NATuan-ITIMS-2007


CHƯƠNG 1: CẤU TRÚC CỦA VẬT RẮN
....

s orbital

px orbital

dxy orbital

dxz orbital

p orbital

py orbital

dyz orbital

pz orbital

dx2-y2 orbital

dz2 orbital
NATuan-ITIMS-2007


CHƯƠNG 1: CẤU TRÚC CỦA VẬT RẮN
Một số dạng đám mây mật độ điện tử phân bố trong không gian
3D tương ứng với các tổ hợp khác nhau của các số lượng tử

n=1, l=0, m=0

n=2, l=1, m=0

n=3, l=2, m=1

n=3, l=2, m=2

n=2, l=1, m=1

n=4, l=2, m=2

n=3, l=2, m=0
NATuan-ITIMS-2007

CHƯƠNG 1: CẤU TRÚC CỦA VẬT RẮN

NATuan-ITIMS-2007


CHƯƠNG 1: CẤU TRÚC CỦA VẬT RẮN
Ký hiệu các lớp vỏ điện tử và số điện tử tối đa chứa trong một nguyên tử
Mức năng
Các lớp Số điện
lượng
quỹ đạo tử tối đa
Ký hiệu
(Số lượng
chứa
con
lớp vỏ
(ứng với trong
tử chính)
quỹ
các l nguyên
( n)
đạo
tử
khác
chính
nhau)
K

s

2
8

2

L

s
p
s

3

M

18

4

N

32

5

O

50

6

P

72

1

Electron Capacity = 2n2
:K
:L
:M
:N
:O
:P

NATuan-ITIMS-2007


CHƯƠNG 1: CẤU TRÚC CỦA VẬT RẮN
1.1.3. Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học
- Nguyên lý AUFBAU (tiếng Đức, có nghĩa là BUILDUP trong tiếng Anh): thể hiện cách xây
dựng bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học, dựa vào cách sắp xếp các điện tử như thế
nào trong các nguyên tử.
- Có 2 nguyên tắc được tuân theo:
+ Quy tắc Hund
Các điện tử được điền vào các quỹ đạo theo nguyên tắc lần lượt từ các
mức năng lượng thấp nhất có thể.
+ Nguyên lý loại trừ Pauli
Hai điện tử không thể cùng chiếm giữ một trạng thái năng lượng (ứng với cùng

một bộ các số lượng tử)
H 1 electron 1s1
He 2 electrons 1s2
Li 3 electrons 1s22s1
O 8 electrons 1s22s22p4
Ne 10 electrons 1s22s22p6
Na 11 electrons 1s22s22p63s1
Ar 18 electrons 1s22s22p63s23p6
K 19 electrons 1s22s22p63s23p64s1
Ca 20 electrons 1s22s22p63s23p64s2
NATuan-ITIMS-2007


CHƯƠNG 1: CẤU TRÚC CỦA VẬT RẮN
THE AUFBAU
PRINCIPLE
Atomic
Number

Symbol

1

H

2

The Electron Configurations of the Elements
(1st, 2nd, 3rd, and 4th Row Elements)

THE PERIODIC
TABLE

Atomic
Number

Symbol

1s1

19

K

[Ar] 4s1

He

1s2 = [He]

20

Ca

[Ar] 4s2

3

Li

[He] 2s1

21

Sc

[Ar] 4s2 3d1

4

Be

[He] 2s2

22

Ti

[Ar] 4s2 3d2

5

B

[He] 2s2 2p1

23

V

[Ar] 4s2 3d3

6

C

[He] 2s2 2p2

24

Cr

[Ar] 4s1 3d5

7

N

[He] 2s2 2p3

25

Mn

[Ar] 4s2 3d5

8

O

[He] 2s2 2p4

26

Fe

[Ar] 4s2 3d6

9

F

[He] 2s2 2p5

27

Co

[Ar] 4s2 3d7

10

Ne

[He] 2s2 2p6 = [Ne]

28

Ni

[Ar] 4s2 3d8

11

Na

[Ne] 3s1

29

Cu

[Ar] 4s1 3d10

12

Mg

[Ne] 3s2

30

Zn

[Ar] 4s2 3d10

13

Al

[Ne] 3s2 3p1

31

Ga

[Ar] 4s2 3d10 4p1

14

Si

[Ne] 3s2 3p2

32

Ge

[Ar] 4s2 3d10 4p2

15

P

[Ne] 3s2 3p3

33

As

[Ar] 4s2 3d10 4p3

16

S

[Ne] 3s2 3p4

34

Se

[Ar] 4s2 3d10 4p4

17

Cl

[Ne] 3s2 3p5

35

Br

[Ar] 4s2 3d10 4p5

18

Ar

[Ne] 3s2 3p6 = [Ar]

36

Kr

[Ar] 4s2 3d10 4p6 = [Kr]

Electron Configuration

Electron Configuration

NATuan-ITIMS-2007


CHƯƠNG 1: CẤU TRÚC CỦA VẬT RẮN
THE PERIODIC TABLE OF THE ELEMENTS
1s:
[He]
+
2s:
2p:
[Ne]
+
3s:
3p:
[Ar]
+
4s:
3d:

4p:
[Kr]
+
5s:
4d:
5p:
[Xe]
+
6s:
4f:
5d:
6p:
[Rn]
+
7s:
5f:
6d:
7p:

1
H
1
3
Li
1
11
Na
1
19
K

1
37
Rb
1
55
Cs
1
87
Fr
1
-

mm

2
He
2
5 6 7 8 9 10
B C N O F Ne
2 2 2 2 2 2
1 2 3 4 5 6
13 14 15 16 17 18
Al Si P S Cl Ar
2 2 2 2 2 2
1 2 3 4 5 6
28 29 30 31 32 33 34 35 36
Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
2 1 2 2 2 2 2 2 2
8 10 10 10 10 10 10 10 10
1 2 3 4 5 6

46 47 48 49 50 51 52 53 54
Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
1 2 2 2 2 2 2 2
10 10 10 10 10 10 10 10 10
1 2 3 4 5 6
78 79 80 81 82 83 84 85 86
Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
1 1 2 2 2 2 2 2 2
14 14 14 14 14 14 14 14 14
9 10 10 10 10 10 10 10 10
1 2 3 4 5 6
110 111 112 113 114 115 116 117 118
Ds Rg Uub Uut Uuq Uup Uuh Uus Uuo

Electron configurations of the neutral gaseous atoms in the ground state
4
Be
2
12
Mg
2
20
Ca
2
38
Sr
2
56
Ba
2

88
Ra
2
-

57
La
2
1
89
Ac
2
1
-

58
Ce
2
1
1
90
Th
2
2
-

59
Pr
2
3

91
Pa
2
2
1
-

60
Nd
2
4
92
U
2
3
1
-

61
Pm
2
5
93
Np
2
4
1
-

62

Sm
2
6
94
Pu
2
6
-

63
Eu
2
7
95
Am
2
7
-

64
Gd
2
7
1
96
Cm
2
7
1
-

65
Tb
2
9
97
Bk
2
9
-

66
Dy
2
10
98
Cf
2
10
-

67
Ho
2
11
99
Es
2
11
-

68 69 70
Er Tm Yb
2 2 2
12 13 14
100 101 102
Fm Md No
2 2 2
12 13 14
-

21 22
Sc Ti
2 2
1 2
39 40
Y Zr
2 2
1 2
71 72
Lu Hf
2 2
14 14
1 2
103 104
Lr Rf
2 2
14 14
2
1

-

23 24
V Cr
2 1
3 5
41 42
Nb Mo
1 1
4 5
73 74
Ta W
2 2
14 14
3 4
105 106
Db Sg

25 26 27
Mn Fe Co
2 2 2
5 6 7
43 44 45
Tc Ru Rh
2 1 1
5 7 8
75 76 77
Re Os Ir
2 2 2
14 14 14

5 6 7
107 108 109
Bh Hs Mt

NATuan-ITIMS-2007


CHƯƠNG 1: CẤU TRÚC CỦA VẬT RẮN

1.1. Cấu trúc nguyên tử
1.2. Chất rắn và các liên kết trong chất rắn
1.2.1. Mở đầu
1.2.2. Các liên kết trong chất rắn
1.3. Cấu trúc tinh thể của chất rắn - Mạng tinh thể và đối
xứng tinh thể
1.4. Cấu trúc vật rắn vô định hình.

NATuan-ITIMS-2007


CHƯƠNG 1: CẤU TRÚC CỦA VẬT RẮN
1.2.1. Mở đầu
+ Chất rắn là một trạng thái của vật chất ở đó một số lớn các nguyên tử
(~1023/cm3) liên kết hóa học bền vững với nhau để tạo ra khối kết tụ đặc
(đóng rắn/ ngưng tụ).
D + Bản chất các lực liên kết là lực tĩnh điện; tương tác từ tính rất yếu; tương
tác hấp dẫn coi như không có.
+ Bản chất của liên kết phụ thuộc vào cấu trúc điện tử của nguyên tử.
+ Trạng thái điện tử của nguyên tử có thể thu được từ cơ học học lượng tử:
Phương trình Schrodinger trong trường xuyên tâm.

+ Dạng của lực liên kết quy định dạng của chất rắn và tính chất tương ứng.
+ Các dạng thế năng tương tác đóng vai trò chính trong các dạng liên kết
các nguyên tử.
+ Năng lượng liên kết tiêu biểu: ~ 1 - 400 kcal/mol (tương tác từ tính ~
1kcal/mol, tương tác hấp dẫn ~ 10-27 kcal/mol).
+ Dựa trên cơ sở cách sắp xếp các nguyên tử, có thể chia CR làm 3 loại:
CR tinh thể, CR đa tinh thể, và CR vô định hình (có thể có dạng tổ hợp).
NATuan-ITIMS-2007


CHƯƠNG 1: CẤU TRÚC CỦA VẬT RẮN
Sự liên kết giữa các nguyên tử hình thành nên chất rắn và cấu trúc tinh thể

NATuan-ITIMS-2007


CHƯƠNG 1: CẤU TRÚC CỦA VẬT RẮN
1.2.2. Các liên kết trong chất rắn
–
–
–
–
–
•

Liên kết ion
Liên kết cộng hóa trị
Liên kết kim loại
Liên kết hydro
Liên kết Van der Waals

Xem thêm về các kiểu liên kết này trong “Solid State Physics” của
Ashcroft and Mermine

NATuan-ITIMS-2007


CHƯƠNG 1: CẤU TRÚC CỦA VẬT RẮN

1.1. Cấu trúc nguyên tử
1.2. Chất rắn và các liên kết trong chất rắn
1.3. Cấu trúc tinh thể của chất rắn - Mạng tinh thể và đối
xứng tinh thể

1.4. Cấu trúc vật rắn vô định hình.

NATuan-ITIMS-2007


CHƯƠNG 1: CẤU TRÚC CỦA VẬT RẮN
1.3.1. Cấu trúc tinh thể

NATuan-ITIMS-2007


CHƯƠNG 1: CẤU TRÚC CỦA VẬT RẮN
Trục tinh thể:
Các vec-tơ đơn vị:
a theo trục x;
b theo trục y;

c theo trục z.

Ô đơn vị:
Ô đơn vị được xác lập
theo các vec tơ đơn vị
a, b, c.
DVectơ cơ sở:
r* = a + b + c

r*

Một thể tích không gian mà
khi tịnh tiến theo tất cả các
vectơ trong một ô mạng
Bravais, phải lấp đầy hoàn
toàn không gian mà không,
hoặc trùng với chính nó,
hoặc để lại chỗ trống.
NATuan-ITIMS-2007


CHƯƠNG 1: CẤU TRÚC CỦA VẬT RẮN
Việc lựa chọn các
ô nguyên thủy:
Trường hợp mạng 2-D

NATuan-ITIMS-2007


CHƯƠNG 1: CẤU TRÚC CỦA VẬT RẮN

Việc lựa chọn các ô nguyên thủy:
Trường hợp mạng 3-D

NATuan-ITIMS-2007