Phương pháp tán xạ tia X

Phương pháp tán
xạ Rơnghen (XRD)
Thực hiện: Nguyễn Anh Sơn
Nguyễn Đức Phong



Wilhelm Conrad Rưntgen

Wilhelm Conrad Rưntgen tìm ra tia X vào năm 1895. Năm 1901 ông được
trao giải Nobel Vật lý. Năm 1995 công ti German Federal Mail phát hành
con tem tưởng nhớ đến cơng lao của W. C. Rưntgen.


Nước làm lạnh

Tia X được tạo ra bằng cách bắn phá
một chùm electron vào một bia kim loại.

Nối đất

<1% năng lượng tia electron chuyển
thành tia X.
Cửa sổ bằng Be

Tinh thể kim loạI Be trong suốt đối với
tia X (do có ít electron trên mỗi nguyên
tử) nên được làm cửa sổ của ống
phóng tia X.
Trong một số trường hợp, người ta cịn
sử dụng các nguồn đồng vị phóng xạ.

Bia kim
loại
Sợi đốt
Wonfram

Tia X
Pha rọi
Ống chân
khơng

Điện
cao thế

Dịng đốt
nóng sợi đốt


Một chùm tia X đập vào một tinh thể đơn lẻ, sẽ xảy ra hiện tượng tán xạ và chùm tán xạ sẽ xuất hiện cùng với
chùm tia ban đầu (tia tới).

Các nguyên tử và phân tử tạo ra tinh thể được sắp xếp theo một trật tự nghiêm ngặt và tạo ra cấu trúc 3 chiều
gọi là lattice. Đơn vị nhỏ nhất của lattice gọi là đơn vị cấu trúc tinh thể.
Đơn vị cấu trúc có kích thước cùng bậc với bước sóng tia X, do đó có thể quan sát được sự tán xạ tia X trong
tinh thể, từ đó nghiên cứu cấu trúc tinh thể.


Hướng của các tia tán xạ có thể tính theo phương trình Bragg:
2d.sin θ = nλ
Trong đó: d – khoảng cách giữa hai mặt phẳng

θ – góc tới của tia X (cịn gọi là góc Bragg)
λ – bước sóng tia X
n – số nguyên.
Do góc giữa tia tới với mặt phẳng (θ) cũng bằng với góc phản xạ
nên góc giữa hai tia này bằng 2 θ.


Nhiễu xạ tia X (XRD)
Tán xạ tia X góc lớn (WAXS)
Tán Xạ Tia X

Tán xạ tia X góc nhỏ (SAXS)
Huỳnh quang tia X(XRF)


Nhiễu xạ tia X (XRD)
Nhiễu xạ bột tia X (XRD) là một kỹ thuật phân tích nhanh sử dụng để
xác định pha của vật liệu tinh thể và có thể cung cấp thơng tin về
kích thước ơ đơn vị.
Mạng lưới tinh thể


Mỗi loại vật liệu tinh thể có:
+ Các hằng số mạng tinh thể (a,b,c ) đặc trưng
+ Chỉ số miller (l,h,k) đặc trưng

7 ô mạng cơ sở

Trùm tia nhiễu xạ là đặc trưng
cho từng loại vật liệu tinh thể

khác nhau.


Các ứng dụng
 Đặc điểm của vật liệu kết tinh
 Xác định các khoáng chất hạt mịn như đất sét và đất sét lớp hỗn hợp khó xác định
bằng quang học
 Xác định kích thước ơ đơn vị
 Đo độ tinh khiết của mẫu
 Với các kỹ thuật chuyên biệt, XRD có thể được sử dụng để:xác định cấu trúc tinh thể
bằng cách sử dụng tinh chế Rietveld
 Xác định lượng khống chất theo phương thức (phân tích định lượng)
 Đặc trưng cho các mẫu màng mỏng bằng cách:
 Xác định sự không phù hợp mạng tinh thể giữa màng và chất nền và để suy ra
ứng suất và biến dạng
 Xác định mật độ lệch vị trí và chất lượng của màng bằng các phép đo đường cong
rung chuyển
 Đo siêu kết tụ trong cấu trúc biểu mô nhiều lớp
 Xác định độ dày, độ nhám và mật độ của phim bằng cách sử dụng phép đo hệ số
phản xạ tia X.
 Thực hiện các phép đo kết cấu, chẳng hạn như hướng của các hạt, trong một mẫu đa
tinh thể


Ưu điểm:
 Kỹ thuật mạnh mẽ và nhanh chóng (<20 phút)
 Trong hầu hết các trường hợp, cho ra một kết quả rõ dàng
 Cần chuẩn bị mẫu ít
 Hiển thị dữ liệu tương đối dễ hiểu
Nhược điểm:

 Vật liệu đồng nhất và một pha là tốt nhất để xác định một chất chưa biết
 Phải có quyền truy cập mẫu cơ sở để so sánh (khoảng cách d, hkl s)
 Yêu cầu phần mười gam nguyên liệu phải được nghiền thành bột
 Đối với vật liệu hỗn hợp, giới hạn phát hiện là ~ 2% khối lượng mẫu
 Đối với các phép xác định ô đơn vị, việc lập chỉ mục các mẫu cho các hệ tinh
thể không đẳng áp là phức tạp


Tán xạ tia X góc lớn (WAXS)
 Quét tia với góc 2 θ khá lớn.
Giả định: λ = 0,15 nm, d =
Với góc 2θ đủ lớn ta sẽ tiếp cận được tới d
nhỏ hơn 1nm. VD: 2 θ = 36o sẽ tương ứng
với d = 0,3 nm.
 Được sử dụng để đánh giá các đơn vị cấu
trúc của tinh thể (nhận diện cấu trúc, đo
các kích thước cấu trúc)


Tán xạ tia X góc lớn (WAXS)
Xác định cấu trúc vật lý của
polyme

Đánh giá mức độ biến dạng pha
tinh thể trong mẫu polyme chịu
lực

Ứng dụng
trong
polyme

Đánh giá cấu trúc tinh thể chưa
biết hoặc kích thước của cấu
trúc tinh thể đã biết

Đánh giá mức độ kết tinh


Tán xạ tia X góc lớn (WAXS)

Các kiểu camera và tán xạ kế cho thiết bị quét tia X góc lớn


Tán xạ tia X góc nhỏ (SAXS)
 Tán xạ tia với góc quét θ nhỏ (khoảng vài độ)
Có thể đánh giá những đơn vị cấu trúc với kích thước 10 – 1000 lần lớn hơn những đơn vị xác định bởi WAXS.


Tán xạ tia X góc nhỏ (SAXS)
Đánh giá các cấu trúc lớn cả trong
polyme lẫn polyme tinh thể lỏng

Ứng dụng trong
polyme

Khảo sát các lỗ hổng tế vi (microvoid)
xuất hiện do sự phá hủy gây ra

Tính độ dày tinh thể

Huỳnh quang tia X (XRF)

1. Kích thích bằng tia X bước sóng ngắn hoặc tia
gamma có năng lượng đủ cao để tạo các
electron lõi bật ra khỏi liên kết chặt chẽ.
2.  Chỗ trống bên trong được tạo ra được lấp đầy
bởi một điện tử liên kết bên ngoài và phần
năng lượng dư thừa được giải phóng (phát xạ
photon).
3. Năng lượng của photon được tạo ra (huỳnh
quang) đặc trưng cho hạt nhân.
=> Xác định thành phần nguyên tố của vật liệu


Liên Hệ phương pháp XRD

+ Phase vật liệu
+ Nguyên tố có trong vật liệu
Chụp phổ XRD

So sánh, Phân tích, Tính tốn

JCPDS: Joint
Committee on Powder
Diffraction Standards

+ Kích thước tinh thể trung
bình
+ Thành phần phase vật liệu

INT ENSIT Y (A.U.)

VD1: Xác định pha và thành phần hóa vật liệu, biết phổ XRD

Peak
20.09

(100)

26.60

(101)

36.50

(110)

Quartz

SiO2
Peak
20.000

25.000

30.000

35.000

2THETA (o)

40.000

45.000

50.000

22.01

101

28.48

111

36.30

200

Cristobalite


VD2: Tính tốn kích thước tinh thể trung bình của các tinh thể
wurtzite ZnO


Phân tích peak (100)

Tiền chất

FWHM(o)

D(nm)

Zn(CH3COO)2.2H2O

0.62767

13,3227

ZnSO4.7H2O

0,83795

9,9771

Zn(NO3)2.6H2O

0,48429

17,263


VD3: Tính tốn thành phần pha rutil và anatase,
biết phổ XRD (màu xám)

[1][2]
IA(101)=29.70

Ir(110)=68.30

WA (% Anatase)

WR (%Rutil)

26%

74%


Tài liệu tham khảo
[1] Phạm Anh Tuấn, Bùi Chương, Nguyễn Huy Tùng (2020), Giáo Trình Hóa Lý Polyme, Nhà xuất bản
Khoa học tự nhiên và công nghệ, Hà Nội.
[2] Lê Diên Thân (2012) Nghiên cứu các quá trình điều chế, khảo sát cấu trúc và tính chất của bột TiO 2
kích thước nano được biến tính bằng một số kim loại chuyển tiếp. Luận án Tiến sĩ Hóa học, chuyên
ngành Hóa vơ cơ 62442501, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên-Đại học Quốc gia Hà Nội.
[3] Nguyễn Thị Tuyết Mai (2015) Nhiên cứu tổng hợp vật liệu titan dioxit có hoạt tính xúc tác quang
trong vùng khả kiến và khả năng ứng dụng trong gốm sứ, thủy tinh
[4] o/ - Dữ liệu XRD của các tinh thể khoáng.