Luận văn tốt nghiệp

Hoàng Thị Kim Dung

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

Hoàng Thị Kim Dung

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG QUANG XÚC TÁC CỦA VẬT LIỆU
MÀNG TIO2 PHA TẠP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – Năm 2013


Luận văn tốt nghiệp

Hoàng Thị Kim Dung

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

Hoàng Thị Kim Dung

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG QUANG XÚC TÁC CỦA VẬT LIỆU
MÀNG TIO2 PHA TẠP


Do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên chắc chắn luận văn tốt nghiệp khó
tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được sự chỉ bảo và góp ý của các thầy
cô và các bạn.
Một lần nữa, xin trân trọng cảm ơn.

Hà Nội, Ngày 20 tháng 11 năm 2013
Học viên

Hoàng Thị Kim Dung


Luận văn tốt nghiệp

Hoàng Thị Kim Dung

MỤC LỤC
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ............................................................................. 3
1.1. Tổng quan về tinh thể TiO 2 ......................................................... 3
1.1.1. Cấu trúc tinh thể của TiO2 ........................................................ 3
1.1.2. Sự chuyển pha của tinh thể TiO 2 ................................................ 5
1.1.3. Giản đồ năng lượng của tinh thể TiO 2 ........................................ 5
1.2. Một số tính chất cuả tinh thể TiO 2............................................... 6
1.2.1. Tính chất điện .......................................................................... 6
1.2.2. Tính chất quang xúc tác của TiO2 .............................................. 7
1.3. Tính chất của TiO 2 pha tạp ......................................................... 9
1.4. Một số ứng dụng của TiO 2 ........................................................ 11
1.4.1. Lớp sơn phủ siêu thấm ướt và vật liệu tự làm sạch .................... 11
1.4.2. Xử lý nước ............................................................................. 12
1.4.3. Sản xuất nhiên liệu hiđrô ........................................................ 13
1.5. Phương pháp chế tạo màng ....................................................... 13

3.5. Nghiên cứu tính chất quang xúc tác của màng TiO 2 và TiO2 pha
tạp thông qua đo quang điện hóa. .................................................... 42
3.5.1. Bản chất của quá trình quang xúc tác ...................................... 42
3.5.2. Sự phụ thuộc của cường độ dòng quang theo thời gian .............. 46
3.5.3. Sự phụ thuộc của cường độ dòng quang theo loại ánh sáng ....... 47
3.5.4. Sự phụ thuộc của cường độ dòng quang theo công suất chiếu sáng
...................................................................................................... 51
3.5.5. Sự phụ thuộc của cường độ dòng quang theo pha tạp ................ 54
KẾT LUẬN ...................................................................................................... 57
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 58


Luận văn tốt nghiệp

Hoàng Thị Kim Dung

LỜI NÓI ĐẦU
Vấn đề rất nóng trên toàn cầu nói chung và ở Việt Nam nói riêng hiện nay là
tình trạng ô nhiễm môi trường, sự gia tăng chất thải, khí thải trong không khí, hiệu
ứng nhà kính. Không khí, nguồn nước bị ô nhiễm nặng do khói, bụi, rác thải công
nghiệp, khí hậu nắng nóng vẫn đang ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người. Ngoài
ra, nhu cầu sử dụng các nguồn năng lượng như khí đốt, than, dầu khí… ngày càng
gia tăng dẫn đến nguồn năng lượng ngày càng cạn kiệt. Bên cạnh đó là sự ô nhiễm
môi trường do khai thác nguồn tài nguyên thiên nhiên bừa bãi.
Để đáp ứng những nhu cầu ngày càng cao của đời sống cũng như của khoa
học, việc tìm ra những vật liệu mới, với những tính chất vượt trội vừa có khả năng
ứng dụng cao, vừa thân thiện với môi trường và đưa chúng vào ứng dụng mang ý
nghĩa rất to lớn và đang được các nhà khoa học rất quan tâm.
Năm 1972 Fujishima và Honda đã khám phá ra tác dụng quang xúc tác của
TiO2 khi phân tách nước thành hydro và oxy dưới tác dụng của tia tử ngoại. Từ đó

trình quang điện hóa với màng chế tạo được trong dung dịch điện phân.

-2-


Luận văn tốt nghiệp

Hoàng Thị Kim Dung

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về tinh thể TiO2
1.1.1. Cấu trúc tinh thể của TiO2
Vật liệu TiO2 có thể tồn tại dưới nhiều dạng thù hình khác nhau. Đến nay các
nhà khoa học đã công bố những nghiên cứu về 7 dạng thù hình (gồm 4 dạng là cấu
trúc tự nhiên, còn 3 dạng kia là dạng tổng hợp) của tinh thể TiO2. Trong đó, 3 dạng
thù hình phổ biến và được quan tâm hơn cả của tinh thể TiO2 là rutile, anatase và
brookite [7, 19].
Tinh thể TiO2 pha rutile và anatase đều có cấu trúc tứ giác (tetragonal) và
được xây dựng từ các đa diện phối trí bát diện (octahedra), trong mỗi bát diện có 1
ion Ti4+ nằm ở tâm và 6 ion O2- nằm ở 2 đỉnh, 4 góc.
* Trong một ô cơ sở của tinh thể TiO2 rutile có 2 ion Ti4+ và 4 ion O2-. Các
bát diện oxit titan sắp xếp thành các chuỗi đối xứng bậc 4 với các cạnh chung nhau,
mỗi bát diện tiếp giáp với 10 bát diện lân cận (4 bát diện chung cạnh và 6 bát diện
chung góc) (hình 1.1a).
* Trong một ô cơ sở của tinh thể TiO2 anatase có 4 ion Ti4+ và 7 ion O2-. Mỗi
bát diện tiếp giáp với 8 bát diện lân cận (4 bát diện chung cạnh và 4 bát diện chung
góc) (hình 1.1b). Qua đó ta có thể thấy tinh thể TiO 2 anatase khuyết O nhiều hơn
tinh thể TiO2 rutile. Điều này ảnh hưởng tới một số tính chất vật lý của vật liệu TiO2
ở các dạng thù hình khác nhau vì các nút khuyết O có vai trò như tạp chất donor.
Khoảng cách Ti-Ti trong tinh thể TiO2 ở pha anatase (3,79 Å, 3,03 Å) lớn


Hình 1.1: Mô hình cấu trúc tinh thể TiO2 pha rutile (a), anatase (b) brookite (c)
và tinh thể khuyết tật mạng (d)
:O

2-

: Ti

4+

Bảng 1.1: Một số thông số vật lý của TiO2 ở hai dạng thù hình chính [ 7]
Tính chất

Rutile TiO2

Anatase TiO2

79,890

79,890

Tetragonal

Tetragonal

4/mm

4/mm


Mật độ khối lượng (g/cm3)
Độ rộng vùng cấm (eV)

Ở pha tinh thể khác nhau, cấu trúc khác nhau, tính chất của TiO2 cũng có sự
khác biệt. Bảng 1.1 cho biết các thông số vật lý của TiO2 ở hai dạng thù hình chính.
Các số liệu cho thấy TiO2 anatase có độ xếp chặt kém hơn TiO2 rutile. Do đó, rutile
là pha bền của TiO2, còn anatase chỉ là pha giả bền của TiO2. Ở dạng tinh thể với

-4-


Luận văn tốt nghiệp

Hoàng Thị Kim Dung

kích thước lớn, TiO2 rutile bền tại áp suất thường, nhiệt độ thường và ở mọi nhiệt
độ nhỏ hơn nhiệt độ nóng chảy của nó. Sự khác nhau về cấu trúc tinh thể của vật
liệu ở các pha khác nhau cũng dẫn đến sự khác nhau về cấu trúc các vùng năng
lượng trong tinh thể của chúng.
1.1.2. Sự chuyển pha của tinh thể TiO2
Các mẫu TiO2 được chế tạo thường có dạng vô định hình, anatase hoặc rutile
do trong quá trình xử lý nhiệt, cấu trúc vật liệu chuyển dần từ dạng vô định hình
sang pha anatase ở nhiệt độ cỡ 300 ÷ 450oC và chuyển dần sang pha rutile khi nung
ở nhiệt độ cao (cỡ trên 800oC). Pha anatase chiếm ưu thế khi được nung ở nhiệt độ
thấp (cỡ 300 ÷ 800oC) [3]. Sự chuyển cấu trúc sang pha rutile hoàn thành ở nhiệt độ
cỡ 900oC. TiO2 cũng có thể chuyển từ pha anatase sang pha rutile ở nhiệt độ gần
500oC tuỳ theo tạp chất, áp suất, môi trường, công nghệ chế tạo.
Một số nghiên cứu cho thấy sự chuyển cấu trúc từ pha anatase sang rutile còn
phụ thuộc vào kích thước hạt. Kích thước hạt càng nhỏ, năng lượng hoạt hoá cần để
chuyển cấu trúc từ pha anatase sang rutile càng nhỏ, sự chuyển pha càng dễ xảy ra.

năng khử O2 thành O2- còn dải dẫn của TiO2 rutile thấp hơn, chỉ ứng với thế khử
nước thành khí hiđro. Do vậy, TiO2 pha anatase có tính hoạt động mạnh hơn [7, 12].
Với những lý do trên, TiO2 pha anatase được quan tâm chế tạo, nghiên cứu
và ứng dụng nhiều hơn các pha khác.
1.2. Một số tính chất cuả tinh thể TiO2
1.2.1. Tính chất điện
a. Bản chất hạt tải điện
TiO2 có độ rộng vùng cấm lớn (Eg ≈ 3,2 eV ở pha anatase) nên theo lý thuyết
thì TiO2 là điện môi. Nhưng trong tinh thể TiO2 thường có những sai hỏng mạng như
những nút khuyết O đóng vai trò như tạp chất donor có mức năng lượng nằm ngay
dưới vùng dẫn, cách đáy vùng dẫn Ec một khoảng nhỏ (cỡ 0,01 eV). Do vậy tinh thể
TiO2 dẫn điện bằng điện tử tự do ngay ở nhiệt độ phòng. Vì thế tinh thể TiO2 có thể
xem là bán dẫn loại n, nói chung dẫn điện bằng cả điện tử tự do và lỗ trống [3].
b. Sự phụ thuộc của điện trở màng TiO2 theo nhiệt độ
Điện trở màng TiO2 pha anatase và pha rutile đều biến thiên theo nhiệt độ
theo quy luật hàm số mũ:

R Ae

-6-

Ea
kT

(1)


Luận văn tốt nghiệp

Trong đó:

Trong quang xúc tác, khi chất bán dẫn bị kích thích bởi một photon có năng
lượng lớn hơn năng lượng vùng dẫn thì một cặp electron-lỗ trống được hình thành.
Thời gian sống của lỗ trống và electron dẫn là rất nhỏ, cỡ nanô giây. Sau khi hình
thành, cặp electron-lỗ trống có thể trải qua một số quá trình như: tái hợp sinh ra nhiệt;
lỗ trống và electron di chuyển đến bề mặt và tương tác với các chất cho và chất nhận
electron. Quá trình quang xúc tác có các giai đoạn sau [12, 13, 14]:
1: Sự kích thích vùng cấm
2: Sự tái hợp electron và lỗ trống trong khối

-7-


Luận văn tốt nghiệp

Hoàng Thị Kim Dung

3: Sự tái hợp electron và lỗ trống trên bề mặt
4: Sự di chuyển electron trong khối
5: Electron di chuyển tới bề mặt và tương tác với chất nhận (acceptor)
6: Lỗ trống di chuyển tới bề mặt và tương tác với chất cho (donnor)

Hình 1.3: Các quá trình diễn ra trong hạt bán dẫn khi bị chiếu xạ
với bước sóng thích hợp [8]
Đối với TiO2 dạng anatase được kích thích bởi ánh sáng có bước sóng thích
hợp thì xảy ra sự chuyển điện tử từ vùng hóa trị lên vùng dẫn làm xuất hiện cặp điện
tử (e-) và lỗ trống (h+)
TiO2 + h → TiO2 ( e-cb + h+(vb))
Những cặp điện tử và lỗ trống sẽ dịch chuyển tới bề mặt để thực hiện các phản
ứng oxi hóa -khử. Các e- tham gia vào quá trình khử:
e-cb + O2 → O2ˉ

electron này chỉ có ba eletron tiếp tục tham gia tạo mạng tinh thể và một electron có
xu hướng tách ra và trở thành electron tự do. Do đó, khi so sánh cấu trúc mạng tinh
thể với bán dẫn thuần thì cấu trúc bán dẫn tạp chất loại này có nhiều các electron tự
do hơn. Loại bán dẫn tạp chất này được gọi là bán dẫn loại n. Như vậy trong bán
dẫn loại n sẽ tồn tại hai loại hạt mang điện. Hạt đa số chính là các electron tự do tích
điện âm và hạt thiểu số là các lỗ trống mang điện dương.
Tương tự nhưng với hướng ngược lại, người ta thêm tạp chất thuộc nhóm III
trong bảng hệ thống tuần hoàn Mendeleep vào trong cấu trúc tinh thể bán dẫn thuần.
Các thành phần tạp chất này cũng tham gia xây dựng cấu trúc tinh thể bán dẫn,
nhưng do chỉ có ba electron lớp ngoài nên trong cấu trúc nguyên tử sẽ có một vị trí
không có electron tham gia các xây dựng liên kết. Các vị trí thiếu này tạo nên các lỗ
trống. Do đó, trong cấu trúc tinh thể của loại bán dẫn tạp chất này sẽ có nhiều vị trí
khuyết eletron hơn hay còn gọi là các lỗ trống. Loại bán dẫn này gọi là bán dẫn loại
p. Hạt đa số chính là các lỗ trống và hạt thiểu số là các electron. Tóm lại, bán dẫn

-9-


Luận văn tốt nghiệp

Hoàng Thị Kim Dung

loại n có nhiều electron tự do hơn và bán dẫn loại p có nhiều lỗ trống hơn. Do đó,
bán dẫn loại n có khả năng cho electron và bán dẫn loại p có khả năng nhận eletron.
Xét mô hình vùng năng lượng trong bán dẫn đưa ra một quan điểm rõ ràng hơn về
quá trình phát sinh cặp điện tử-lỗ trống và sự điều chỉnh nồng độ các hạt tải điện
bằng các tạp chất: Người ta chia ra làm ba vùng là: vùng dẫn, vùng cấm và vùng
hóa trị.

Hình 1.4 : Sơ đồ vùng năng lượng

Vanadi vào bán dẫn TiO2 tinh khiết thì bán dẫn pha tạp lúc này sẽ dư nhiều điện tử
hơn và hình thành mức năng lượng donor để làm giảm năng lượng cần thiết để điện
tử có thể nhảy qua vùng cấm. Và chúng tôi thay vì sử dụng ánh sáng tử ngoại đối
với bán dẫn tinh khiết có thể sử dụng hiệu quả vùng ánh sáng nhìn thấy vào các ứng
dụng quang xúc tác.
1.4. Một số ứng dụng của TiO2
1.4.1. Lớp sơn phủ siêu thấm ướt và vật liệu tự làm sạch
Các lớp bụi bẩn, muội than, khí thải xe cộ và các hạt bụi khác bám dính trên
bề mặt các tòa nhà cần thiết được làm sạch. Sự phát triển của các sinh vật chẳng hạn
như vi khuẩn, nấm mốc, tảo làm xấu xí bề mặt của tòa nhà và kết quả là làm suy
yếu cơ học và cuối cùng là tiêu diệt. Để ngăn chặn điều này, bề mặt các tòa nhà có
thể được sơn phủ một lớp chất quang xúc tác. Sự quang xúc tác xảy ra khi có mặt
của ánh sáng với năng lượng ánh sáng tương ứng với năng lượng vùng cấm của chất
quang xúc tác và làm cho các hợp chất hữu cơ bị phân hủy trên bề mặt chất quang
xúc tác. Ngoài ra, góc tiếp xúc của nước được tăng lên tạo ra bề mặt rất kỵ nước,
cho phép bụi bẩn được rửa sạch dễ dàng.
Như chúng ta đã biết khả năng tự làm sạch của vật liệu TiO 2 và việc ứng
dụng phủ lớp TiO2 lên bề mặt của các tòa nhà để tự làm sạch đang rất được quan
tâm. Nhất là đối với các màng mỏng TiO2 có pha tạp chất hiệu quả sử dụng ánh
sáng tia cực tím và vùng ánh sáng nhìn thấy tăng lên đáng kể. Dưới tác động của tia
tử ngoại trong ánh sáng Mặt trời hoặc đèn huỳnh quang, TiO2 trong lớp phủ làm
phát sinh các tác nhân oxy hoá mạnh như H2O2, O2- ,OH -. Chúng có thể phân huỷ
hầu hết các hợp chất hữu cơ, khí thải độc hại, vi khuẩn, rêu mốc bám trên bề mặt
vật liệu thành những chất vô hại như CO2, H2O [19].

- 11 -


Luận văn tốt nghiệp


- 12 -


Luận văn tốt nghiệp

Hoàng Thị Kim Dung

1.4.3. Sản xuất nhiên liệu hiđrô
Xét về khía cạnh môi trường và an ninh năng lượng thì H2 là nguồn năng
lượng lớn có tiềm năng để duy trì một xã hội bền vững trong tương lai. Với mục
đích này H2 phải được sản xuất từ các nguồn năng lượng tái tạo hay có trong tự
nhiên. Xúc tác quang hóa từ nguồn năng lượng mặt trời đã được nghiên cứu rộng rãi
để sản xuất H2 từ nước kể từ khi nhà bác học Honda-Fujishima đưa ra báo cáo đầu
tiên vào năm 1972. Khả năng quang điện hóa dưới ánh sáng mặt trời được chứng
minh lần đầu tiên với điện cực bán dẫn TiO2 loại n được kết nối với một điện cực
đếm Pt. Khi điện cực được chiếu sáng dưới ánh sáng tia tử ngoại thì dòng quang
chạy từ điện cực Pt đến điện cực TiO2 thông qua mạch điện bên ngoài. Nó cho thấy
nước có thể phân tách thành hydro và oxi khi áp thế bên ngoài. Hướng của dòng cho
thấy O2 được sinh ra trên điện cực TiO2 và H2 được sinh ra trên điện cực đếm Pt
[19, 23].
1.5. Phƣơng pháp chế tạo màng
1.5.1. Một số phương pháp chế tạo màng
Có thể chia các phương pháp chế tạo màng thành hai nhóm sau [3]:
a. Nhóm các phương pháp vật lý: gồm các phương pháp bốc bay nhiệt trong
chân không, phún xạ catôt, phún xạ cao áp, cao tần, epitaxy chùm phân tử, lắng
đọng bằng xung laser, lắng đọng từ pha hơi hợp chất hữu cơ kim loại,... Các phương
pháp này có ưu điểm là chế tạo được màng có độ tinh khiết, tính đồng nhất về mặt
quang học cao, mật độ hạt lớn và có thể chế tạo trên các bề mặt tinh vi, hình dạng
phức tạp. Nhưng nhược điểm của chúng là phải thực hiện trong môi trường chân
không cao với các thiết bị phức tạp, hiện đại, đắt tiền, khó áp dụng đại trà trong điều

được chế tạo bằng phương pháp sol–gel với nhiệt độ ủ 450oC, 500oC, 6000C. Do
vậy trong luận văn này tôi lựa chọn phương pháp sol–gel để chế tạo các màng TiO2.
Sau đây là các nguyên lý cơ bản của phương pháp này.
1.5.2. Phương pháp sol–gel
a. Nguyên lý chung
Sol–gel là một phương pháp chuyển hệ từ trạng thái lỏng (thường có dạng
nhớt, sánh) - gọi là sol sang trạng thái rắn - gọi là gel [7]. Ban đầu, muối kim loại
hữu cơ được hoà tan vào dung môi thích hợp. Trong dung dịch này, các muối tiền
chất tham gia phản ứng thuỷ phân theo phương trình có dạng sau:
M(OR)4 + H2O → HO-M(OR)3 + ROH
Tiếp theo, tùy vào lượng nước trong dung dịch và sự có mặt của xúc tác,
phản ứng thuỷ phân có thể tiếp diễn đến khi thay thế tất cả các nhóm OR bằng

- 14 -


Luận văn tốt nghiệp

Hoàng Thị Kim Dung

nhóm OH hoặc chỉ bị thuỷ phân từng phần. Các phản ứng thuỷ phân (toàn bộ hoặc
từng phần) liên hệ với nhau bằng phản ứng ngưng tụ sinh ra nước và cồn như sau:
(OR)3M-OH + HO-M(OR)3
(OR)3M-OR + HO-M(OR)3

pH = 2
nhiệt

(OR)3M-O-M(OR)3 + H2O
(OR)3M-O-M(OR)3 + HOR

Cô đặc

Xử lý nhiệt

Gel ­ướt
Lắng
đọng
Bay hơi
……
…
Gel khô .
Loại bỏ
…… …
dung môi

Lò nung

Xử lý nhiệt

Màng đặc

Gel khí Gốm đặc Hệ hạt đồng nhất Sợi gốm

Hình 1.6: Sơ đồ tóm tắt công nghệ sol-gel

- 15 -


Luận văn tốt nghiệp



Ao  
Ao



Trong đó:

(2)

ρAo, ρA là mật độ khối lượng của dung môi ban đầu và khi bay hơi
η là độ nhớt của sol
 là tốc độ quay
m là tốc độ bay hơi của dung môi

Độ dày của màng cũng có thể tính được gần đúng bằng công thức đơn giản sau:
h = A.ω-B

(3)

Trong đó, các hệ số A và B được xác định từ thực nghiệm, B cỡ từ 0,4 đến 0,6.
Các kết quả đã cho thấy độ dày của màng tính theo công thức gần đúng (3)
phù hợp khá tốt với thực tế ứng với các tốc độ quay khác nhau.
c. Kỹ thuật nhúng phủ

- 16 -


Luận văn tốt nghiệp


 1LV/ 6 (  .g )1/ 2

h là độ dày của màng

η là độ nhớt của sol

γLV là hệ số căng bề mặt của sol

ρ là khối lượng riêng của sol

g là gia tốc trọng trường
Ngoài ra, ta còn có thể phủ màng bằng một số cách khác như sau:

a.
Nhúng kéo xiên góc

b. Lăn phủ màng trên đế

c. Quay đế trụ trong sol

Hình 1.9: Một số phương pháp phủ màng khác

- 17 -


Luận văn tốt nghiệp

Hoàng Thị Kim Dung

d. Xử lý nhiệt

Các sóng này là các sóng kết hợp nên giao thoa với nhau, làm cho sóng tổng hợp
chỉ quan sát được rõ theo một số phương mà các sóng tăng cường nhau. Vì theo
phương phản xạ, cường độ nhiễu xạ lớn nhất, nên ta chỉ quan sát hiện tượng nhiễu
xạ theo phương này. Từ hình 1.10 ta có thể thấy hiệu quang trình của các tia phản
xạ trên hai mặt phẳng mạng liên tiếp là:
∆L = 2d.sin
Theo định luật Bragg, điều kiện để có cực đại giao thoa của hai sóng là:
2dhkl.sin = n.
Trong đó: n = 1, 2, 3,… là bậc giao thoa

- 18 -


Luận văn tốt nghiệp

Hoàng Thị Kim Dung

 là góc giữa tia tới hoặc tia phản xạ với mặt phẳng mạng
 là bước sóng ánh sáng kích thích
dhkl là khoảng cách giữa hai mặt phẳng mạng liên tiếp có chỉ số Miller (hkl)
Khoảng cách dhkl liên hệ với các chỉ số Miller và các hằng số mạng theo công thức:

1
d hkl

2



h2 k 2 l 2


Bragg. Tương ứng với mỗi cấu trúc tinh thể,
ta sẽ thu được một họ những cực đại nhiễu
xạ tại các góc 2θ xác định.
Qua giản đồ nhiễu xạ, ta có thể xác
định được các đặc điểm cấu trúc của mạng
tinh thể như khoảng cách giữa các mặt
phẳng mạng, các chỉ số Miller tương ứng,

Hình 1.11: Sơ đồ cấu tạo chung

kiểu mạng, thành phần pha, độ kết tinh,

của hệ đo nhiễu xạ tia X (XRD)

thành phần hóa học của vật liệu mà không phá hủy mẫu và chỉ cần một lượng nhỏ
mẫu để phân tích.

- 19 -


Luận văn tốt nghiệp

Hoàng Thị Kim Dung

Ngoài ra, từ giản đồ nhiễu xạ tia X, ta cũng có thể ước tính được kích thước
của các hạt tinh thể có kích thước cỡ nm vì khi đó các “vạch” nhiễu xạ mở rộng
đáng kể. Để hình dung, ta xét một tinh thể lí tưởng có p mặt phẳng mạng (hkl) song
song với nhau và song song với bề mặt, cách nhau những khoảng d, tức là độ dày
của tinh thể có thể coi là pd. Cường độ tia nhiễu xạ đạt cực đại khi hiệu đường đi


2 . pd . cos


Khi ε = 0, biên độ A đạt cực đại và bằng Ao = ap. Tại một nửa độ cao của
cường độ A cực đại ta có:

 4 p d cos 
 1, 40
=
2
2

(8)

Độ bán rộng βhkl đối với đỉnh nhiễu xạ tại góc 2θ được cho bởi công thức:

 hkl  4 

0,89
0,89

pd cos  Lhkl cos 

(9)

Từ đó, ta có thể tính được gần đúng đường kính D của hạt nano tinh thể hình
cầu theo công thức Scherrer:

D