Bài giảng Vật lý chất rắn - Chương I: Tinh thể chất rắn - Phần II: Phân tích cấu trúc tinh thể bằng phương pháp nhiễu xạ tia X - Lê Khắc Bình

Nội dung text: Bài giảng Vật lý chất rắn - Chương I: Tinh thể chất rắn - Phần II: Phân tích cấu trúc tinh thể bằng phương pháp nhiễu xạ tia X - Lê Khắc Bình

1. PHẦN II PHÂN TÍCH CẤU TRÚC TINH THỂ BẰNG PHƯƠNG PHÁP NHIỄU XẠ TIA X
2. Tia X được tạo ra nhờ ống phát tia X. Bước sóng ngắn nhất mà ống có thể phát ra liên quan tới hiệu điện thế giữa anod và catod của ống phát tia bởi công thức: hc hc = eU min = min eU Với U =104 V thì : 6,625.10−34.3.108 0  = =1,24.10−10 m =1,24 A min 1,6.10−19.104
3. ⚫ Gọi  là hiệu đường đi của các tia phản xạ từ các mặt lân cận nhau ta có:  = AB – AC mà :  = AB – AC = d(1 – cos2)/sin = 2dsin2/sin  = 2dsin (1) I II Trong quang học, điều kiện để các tia sóng có cùng bước sóng F G III có cực đại giao thoa là:  C A E d 2πδ Δφ = = 2n (2)  λ B Từ (1) và (2)  = n, n Z 2dsin = n : điều kiện nhiễu xạ của Vulf – Bragg
4. II. CẦU PHẢN XẠ CỦA EWALD Ewald đưa ra một phương pháp đơn giản vào việc giải quyết bài toán sau: Cho một chùm tia X tới, bước sóng  rơi trên một tinh thể đặt ở một hướng cho trước. Hỏi có tia phản xạ nào không? Hướng của nó như thế nào? Lấy 1 điểm bất kì làm gốc O, vẽ véc tơ k thỏa:  ➢ gốc tại O. ➢ phương trùng với phương của tia X tới. O ➢ độ lớn của k : 2 k k = 
5. 2 ⚫Từ O vẽ một mặt cầu tâm O, bán kính bằng k = . Điều  kiện nhiễu xạ Vulf – Bragg sẽ thỏa, tức là sẽ có tia nhiễu xạ nếu có nút của mạng ngược nằm trên mặt cầu này. Giả sử có nút của mạng ngược nằm trên mặt cầu này  tại B. B k' ⚫Vẽ véctơ G = AB véctơ nối 2 O 2 G nút của mạng ngược. Tia nhiễu xạ sẽ truyền theo chiều k của véctơ k' thỏa: A k' = k + G
6. DẠNG TỔNG QUÁT CỦA ĐIỀU KIỆN NHIỄU XẠ VULF - BRAGG Công thức Vulf – Bragg có thể viết dưới dạng tổng quát sau: k '= k + G (k')2 = (k + G)2 Vì k = k'nên 2.k.G + G2 = 0 Tia phản xạ sẽ ứng với những nút nào của mạng ngược nằm trên mặt cầu Ewald. Nếu không có nút nào trên mặt cầu, tức không có tia nhiễu xạ. Nhưng nếu quay tinh thể quanh A, lúc đó mạng ngược quay theo, vì vậy bao giờ cũng có thể đưa một nút bất kì Ghkl lên mặt cầu nếu Ghkl 4 /.
7. III. CÁC PHƯƠNG PHÁP CHỤP TINH THỂ BẰNG TIA X ⚫ Mỗi tinh thể của một loại vật chất có d đặc trưng riêng cho mình không lẫn với các chất khác dù các tinh thể khác loại có cùng cấu trúc. ⚫ Trong phân tích cấu trúc: biết , đo  bằng thực nghiệm (ảnh nhiễu xạ) Xác định được d. ⚫ Một chùm tia tới S rơi trên một họ mặt mạng hkl với một góc bất kì nói chung không cho tia nhiễu xạ S’ vì điều kiện Vulf – Bragg chưa thỏa. Muốn thu được chùm tia nhiễu xạ người ta dùng một trong hai cách sau: ⚫ Giữ cố định tinh thể và tia tới: thay đổi  của chùm tia tới dùng tia X trắng: phương pháp Lauer. ⚫ Giữ  = const, vị trí tia tới cố định: xoay tinh thể để góc thay đổi từ 0 → 90o sẽ có một vị trí phù hợp điều kiện Vulf – Bragg thu được tia nhiễu xạ: phương pháp Debye - Scherrer, phương pháp đơn tinh thể xoay.
8. BUỒNG CHỤP LAUE ⚫ Gồm đầu giác kế, nơi đặt đơn tinh thể với định hướng xác định so với chùm tia tới và buồng phim phẳng đặt trực giao với chùm tia tới. ⚫ Nếu mẫu đủ mỏng để tia X xuyên qua, người ta chụp theo sơ đồ truyền qua và ảnh nhiễu xạ nhận được gọi là ảnh Laue truyền qua, gọi tắt là ảnh Laue. ⚫ Nếu mẫu dày, chụp theo sơ đồ phản xạ và ảnh nhiễu xạ nhận được gọi là ảnh Laue ngược hay còn gọi là epigram.
9. THIẾT BỊ CHỤP PHỔ BẰNG PHƯƠNG PHÁP LAUE
10. 3. PHƯƠNG PHÁP CHỤP PHIM DEBYE – SHERRER ( PHƯƠNG PHÁP BỘT) ⚫ Khi chiếu một chùm tia X vào mẫu với bước sóng , bao giờ cũng có những mảnh tinh thể ngẫu nhiên nằm theo hướng sao cho mặt mạng d của chúng thỏa điều kiện Vulf – Bragg Khi đó nó sẽ cho tia nhiễu xạ. Các tia này nằm trên đường sinh của một nón tròn xoay có đỉnh là mẫu trục là tia tới với nửa góc ở đỉnh là 2. ⚫ Ứng với những họ mặt mạng d khác của tinh thể ta có các mặt nón tia nhiễu xạ khác nhau với điều kiện d /2 (để sin 1). Phương pháp bột cho phép xác định được góc  của tia nhiễu xạ bởi các họ mặt mạng khác nhau. Tính được d qua điều kiện Vulf – Bragg.
11. ⚫ Buồng chụp bằng kim loại có một diapham xuyên qua thành đế có một chùm tia X song song mảnh từ ngoài rọi vào cột mẫu. ⚫ Đối diện với diapham là một màn huỳnh quang nhỏ để điều chỉnh buồng chụp cho tia X rơi vuông góc mẫu. ⚫ Mẫu đa tinh thể dạng bột hoặc một số lớn các mảnh tinh thể nhỏ cỡ 1/100 – 1/1000 mm phân bố hỗn độn được nén thành khối, thông thường có dạng mẫu trụ, đường kính 5 – 8 mm. Ngoài ra có thể dùng mẫu phẳng. Phim được lắp sát thành trong buồng chụp và buồng chụp được che tối hoàn toàn. Với các họ mặt mạng dhkl thỏa điều kiện Vulf – Bragg ta sẽ thu được trên phim các tia nhiễu xạ là các vạch hình trụ đối xứng qua vết tia tới.
12. ⚫ Mẫu: có dạng đĩa phẳng tròn  ~ 2 cm, dày 1 – 2 mm khi chụp mẫu quay trong mặt phẳng quanh trục của nó. ⚫ Ống đếm: Tại vị trí nhận tia nhiễu xạ. ⚫ Góc xoay:  thay đổi từ O → 90o, buồng ion hóa xoay theo với tốc độ góc 2. ⚫ Vị trí của ống đếm có độ chính xác tới 0,01o. Vì chỉ ghi các vạch nhiễu xạ nằm ở một phía tia tới nên vị trí góc Oo phải thật chính xác (hiệu chỉnh góc Oo dựa vào mẫu chuẩn đã biết trước.