Nhiễu xạ X-ray [XRD] là một kỹ thuật phân tích không phá hủy, cung cấp thông tin về cấu trúc tinh thể, giai đoạn, định hướng tinh thể, và các thông số cấu trúc khác, chẳng hạn như kích thước trung bình hạt hay các khuyết tật tinh thể. Đỉnh nhiễu xạ X-ray được tạo ra do sự giao thoa của một chùm tia X nhiễu xạ ở góc độ cụ thể từ bề mặt mạng trong một mẫu. Các đỉnh giao thoa đặc trưng bởi sự phân bố của các nguyên tử trong mạng tinh thể. Do đó mô hình nhiễu xạ X-ray là duy nhất với mỗi sắp xếp nguyên tử trong vật liệu. So sánh với cơ sở dữ liệu của mô hình nhiễu xạ X-ray ICDD [Trung tâm Quốc tế về Dữ liệu nhiễu xạ] cho phép xác định pha của hầu hết các mẫu tinh thể. Nhiễu xạ X-ray được sử dụng rộng rãi nhất cho việc xác định các vật liệu tinh thể chưa biết [ví dụ khoáng chất, các hợp chất vô cơ]. Xác định chất rắn chưa biết là rất quan trọng để nghiên cứu về địa chất, khoa học môi trường, khoa học vật liệu, kỹ thuật và sinh học.
Các ứng dụng của kiểm tra nhiễu xạ X-Ray:
- Xác định đặc tính của tinh thể vật liệu
- Xác định các khoáng chất hạt mịn như đất sét và đất sét hỗn hợp [rất khó để xác định bằng các phương pháp quang học]
- Xác định kích thước đơn vị tinh thể
- Đo độ tinh khiết mẫu
- Xác định cấu trúc tinh thể sử dụng Rietveld
- Xác định các thành phần của các khoáng chất [phân tích định lượng]
- Thực hiện đo đạc kết cấu, chẳng hạn như sự định hướng của các hạt, trong một mẫu đa tinh thể
Nhiễu xạ tia X [tiếng Anh là X-Ray Diffraction, viết tắt là XRD] được sử dụng để nghiên cứu cấu trúc tinh thể của vật liệu vì bước sóng tia X [từ 0,2 đến 10 nm] khá tương đồng với khoảng cách giữa các nguyên tử của chất rắn kết tinh. Kỹ thuật này đo khoảng cách trung bình giữa các lớp hoặc hàng nguyên tử. XRD cho phép chúng ta xác định hướng của một đơn tinh thể hoặc hạt và đo kích thước và hình dạng của các vùng tinh thể nhỏ.
Trong XRD, một chùm tia X đi qua khe phân kỳ và chiếu vào bề mặt mẫu, các chùm tia X đến mẫu này bị phân tán ngược trở lại bởi mạng tinh thể tuần hoàn, gây ra sự giao thoa, nhiễu xạ tia X. Chúng ta sẽ thu được phổ nhiễu xạ tia X [peak hay đỉnh của sự giao thoa tăng cường] nếu chùm tia X chiếu tới bề mặt mẫu thỏa mãn định luật BRAGG: 2dSinƟ = nλ.
Trong đó:
d: là khoảng cách giữa 2 lớp nguyên tử kế tiếp
Ɵ: Góc tới của chùm tia X so với lớp nguyên tử
n: thứ tự của nhiễu xạ
λ: Bước sóng tia X
Với việc bước sóng λ là hằng số đã biết, bằng cách thay đổi góc tia X chiếu tới lớp nguyên tử cho đến khi thu được phổ nhiễu xạ, ta sẽ tính được hệ số d; các hàng số mạng tinh thể h, k, l, đối chiếu với Trung tâm dữ liệu phổ nhiễu xạ quốc tế [ICDD - International Centre for Diffraction Data] ta sẽ xác định được cấu trúc mạng tinh thể; cấu trúc pha; định danh và định lượng thành phần pha; tính toán kích thước và độ kết tinh của tinh thể, ...
Việc ứng dụng nhiễu xạ tia X có nhiều kỹ thuật cụ thể phải kể đến là có một số phương pháp như
- Phương pháp nhiễu xạ X-ray vật liệu bột
Nhiễu xạ bột [Power X-ray diffraction]
sử dụng với các mẫu là đa tinh thể, phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất để xác định cấu trúc tinh thể, bằng cách sử dụng một chùm tia X song song hẹp, đơn sắc, chiếu vào mẫu. Người ta sẽ quay mẫu và quay đầu thu chùm nhiễu xạ trên đường tròn đồng tâm, ghi lại cường độ chùm tia phản xạ và ghi phổ nhiễu xạ bậc 1 [n = 1].Phổ nhiễu xạ sẽ là sự phụ thuộc của cường độ nhiễu xạ vào 2 lần góc nhiễu xạ [2θ]. Đối với các mẫu màng mỏng, cách thức thực hiện có một chút khác, người ta chiếu tia X tới dưới góc rất hẹp [để tăng chiều dài tia X tương tác với màng mỏng, giữ cố định mẫu và chỉ quay đầu thu.Phương pháp nhiễu xạ bột cho phép xác định thành phần pha, tỷ phần pha, cấu trúc tinh thể [các tham số mạng tinh thể] và rất dễ thực hiện...
- Phương pháp Laue
- Phương pháp đơn tinh thể quay
- Cấu tạo của máy quang phổ nhiễu xạ tia X
Máy quang phổ nhiễu xạ tia X chúng ta tìm hiểu ở đây là các loại máy nhiễu xạ bột – Powder X-Ray Diffraction [PXRD]. Có nhiều loại máy như: Loại để bàn; Loại để sàn; Loại di động, nhưng về cơ bản đều bao gồm các bộ phận chính như sau:
Loại Theta - Theta
Loại Theta – 2 Theta
- Nguồn phát tia X [X-ray source/X-ray tube/X-ray generator]: với nhiều công suất khác nhau từ 300W cho đến 4kW; Điện áp từ 30kV đến 80kV; Dòng điện 10mA đến 80mA phù hợp cho nhiều ứng dụng, với nhiều loại mẫu khác nhau
- Khe phân kỳ Soller: Hướng tia X từ Nguồn phát đến bề mặt mẫu cần phân tích
- Bộ giữ mẫu [Sample holder]: có thể giữ 1 mẫu hoặc mâm xoay giữ nhiều mẫu; có nhiều loại tùy theo hình dạng, kích thước của mẫu
- Giác kế Goniometer:
+ Có loại Theta – Theta: Mẫu cố định; Nguồn phát tia X và Bộ thu tín hiệu di chuyển để đảm bảo góc tới và góc phản xạ luôn bằng nhau [và bằng Ɵ].
+ Hoặc loại Theta – 2 Theta: Nguồn phát tia X cố định, Bộ giữ mẫu và Bộ thu tín hiệu di chuyển để đảm bảo góc phản xạ [2Ɵ] bằng 2 lần góc tới [Ɵ].
+ Goniometer có phạm vi góc quét lớn nhất từ -1100 đến +1680; bước góc nhỏ nhất là 0,00010
- Khe Soller thu nhận tia X phản xạ: Hướng tia X phản xạ từ bề mặt mẫu vào bộ thu tín hiệu
- Bộ thu tín hiệu [Detector]: có thể là Scintillation counter Nal hay cao cấp hơn là CeleriX 1D Hybrid Photon Counting [HPC] microstrip để thu phổ nhiễu xạ tia X; có thể lắp thêm detector SDD để phân tích định lượng thành phần các nguyên tố hóa học có trong mẫu.
- Bộ máy tính kèm phần mềm để điều khiển, phân tích và xử lý dữ liệu nhiễu xạ
- Bộ Chiller để làm mát tuần hoàn Nguồn phát tia X
- Ứng dụng của máy quang phổ nhiễu xạ tia X
Kỹ thuật nhiễu xạ tia X là một kỹ thuật phức tạp, XRD có thể được sử dụng để xác định các đơn tinh thể và tiết lộ cấu trúc của chúng, đồng thời các nhà địa chất nhận thấy XRD đặc biệt hữu ích vì nó có thể được sử dụng để xác định các tinh thể có trong hỗn hợp, chẳng hạn như khoáng chất trong đá. Đối với các khoáng chất có công thức và cấu trúc thay đổi, chẳng hạn như đất sét, XRD là phương pháp tốt nhất để xác định và xác định tỷ lệ của chúng trong một mẫu và những ứng dụng nghiên cứu về vật liệu như việc xác định khoáng chất, hợp chất vô cơ. Xác định chất rắn chưa biết là cực kỳ quan trọng đối với các nghiên cứu về địa chất, khoa học môi trường, khoa học vật liệu, kỹ thuật và sinh học, các ứng dụng này bao gồm:
- Nghiên cứu về cấu trúc mạng tinh thể; tính toán kích thước và độ kết tinh của tinh thể
- Định tính cấu trúc pha và định lượng thành phần pha vật liệu
- Phân tích lượng Austenite còn dư của quá trình biến đổi pha sau quá trình xử lý nhiệt
- Phân tích ứng suất dư, sự biến dạng của mạng tinh thể
- Xác định đặc tính tinh thể của vật liệu
- Xác định cấu trúc tinh thể sử dụng Phân tích Rietveld
- Thực hiện đo lường cấu trúc vật liệu, ví dụ như sự định hướng của các hạt trong các mẫu đa tinh thể
- Đo độ tinh khiết mẫu
- Xác định các thành phần và hàm lượng của các khoáng chất [phân tích định lượng]
- Xác định các khoáng chất hạt mịn như đất sét và đất sét hỗn hợp [rất khó để xác định bằng các phương pháp quang học]
- Xác định kích thước đơn vị của mạng tinh thể
Do những ứng dụng của XRD nên nhiễu xạ tia X có một số ưu điểm và hạn chế như:
Ưu điểm
- Có kết quả nhanh [