-1-

MỘ SỐPHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN
VÀ CẤU TRÚC CỦA VẬT LIỆU


-2-

MỞ ĐẦU
Các phương pháp phân tích cấu trúc vật chất có vai trò quan trong trong sự phát
triển của nhiều ngành khoa học hiện nay, đặc biệt là hóa học. Một trong những nhiệm vụ
quan trọng của hóa học hiện đại là thiết lập mối quan hệ giữa cấu trúc và tác dụng của các
hợp chất, góp phần vào việc tìm kiếm, tổng hợp ra các hợp chất mới có nhiều tính năng
ưu việt.
Trong các phương pháp phân tích cấu trúc vật chất thì phương pháp hóa lý là phổ
biến hơn cả do sự hiện đại và khả năng ứng dụng rộng rãi của chúng. Nhờ sự phát triển
nhanh chóng của kỹ thuật điện tử và tin học nên các thiết bị phân tích hóa học cũng được
hiện đại hóa theo, cho phép xác định nhanh chóng với độ chính xác cao các mẫu có hàm
lượng rất nhỏ của các chất chứa trong mẫu phân tích.
Hiện nay, đã có rất nhiều phương pháp được sử dụng để phân tích cấu trúc vật chất
đem lại độ chính xác cao. Trong báo cáo này nhóm chúng em xin trình bày một số
phương pháp:
Phương pháp phân tích nhiệt
Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
Hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
Hiển vi lực nguyên tử (AFM)
Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX)
Các thành viên trong nhóm 5:
1. Nguyễn Chí Bình
2. Nguyễn Thị Hồng Hạnh
3. Lê Thị Bích Liên

4. Bùi Ngọc Quân


-3-

CHƯƠNG 1. PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH NHIỆT
1.1. Sơ lược về lịch [1]
Kỹ thuật phân tích nhiệt lần đầu tiên được phát minh bởi E.S. Watson và M.J.
O'Neill (Perkin Elmer Corp), và được giới thiệu thương phẩm lần đầu tiên tại Hội nghị
Hóa phân tích và Quang phổ Ứng dụng tại Pittsburgh (Hoa Kỳ vào năm 1963. Năm 1964,
kỹ thuật này tiếp tục được hoàn thiện với cải tiến phép đo nhiệt lượng quét vi sai đoạn
nhiệt được phát minh bởi P.L. Privalov và D.R. Monaselidze.
1.2. Phương Pháp phân tích nhiệt là gì? [2]
Phân tích nhiệt là phương pháp phân tích mà trong đó, các tính chất vật lý, hoá học
của mẫu, đo một cách liên tục nhất là những hàm của nhiệt độ (nhiệt độ đợc thay đổi có
quy luật). Trên cơ sở lý thuyết về nhiệt động học, từ sự thay đổi các tính chất đó ta có thể
xác định được các thông số yêu cầu của việc phân tích.
Các tính chất được xác định như: Nhiệt độ chuyển pha, khối lượng mất đi, biến đổi
về kích thước.
Trong phần này ta đi tìm hiểu các phương pháp chính sau:
- Phân tích nhiệt vi sai (DTA).
- Phân tích nhiệt lượng vi sai quét (DSC).
Dựa vào phương pháp này ta có thể: Kiểm nghiệm sản phẩm, phân tích thành
phần,…
1.3. Phân tích nhiệt vi sai (DTA)[2]
1.3.1. Cơ sở và tính năng của phương pháp.
Phân tích nhiệt vi sai dựa trên việc thay đổi nhiệt độ của mẫu đo và mẫu chuẩn và
được xem như là một hàm của nhiệt độ mẫu.
Các tính chất của mẫu chuẩn là hoàn toàn xác định và yêu cầu mẫu chuẩn phải trơ
về nhiệt độ.

Với mẫu đo thì luôn xẩy ra một trong hai quá trình giải phóng và hấp thụ nhiệt khi
ta tăng nhiệt độ của hệ, ứng với mỗi quá trình này sẽ có một trạng thái chuyển pha tương
ứng.
* Phương pháp này cho ta biết:
- Phân biệt các nhiệt độ đặc trưng.
- Hành vi nóng chảy và kết tinh của vật liệu.
- Độ ổn định nhiệt.


-4-

1.3.2. Thiết bị đo
Một hệ đo gồm: - Hai giá giữ mẫu bao gồm cặp nhiệt, bộ phận chứa mẫu.
- 1 lò nhiệt.
- 1 thiết bị điều khiển nhiệt độ.
- 1 hệ ghi kết quả đo.
Bé khuÕch ®¹i

Bé ®iÒu khiÓn
/phót

S
R

/phót

Bé ghi.

HÖ ®iÒu
khiÓn nhiÖt

®é.

Hình 1.1: Sơ đồ hệ đo

Hình 1.2: Sơ đồ cung cấp nhiệt của thiết bị DTA (a) và một hệ đo DTA (b)
1.3.3. Hoạt động và phân tích kết quả.
- Sự thay đổi nhiệt độ bên trong các mẫu được xác định bởi các cặp nhiệt, độ chênh


-5-

lệch giữa các cặp nhiệt sinh ra một điện áp và sau đó ta khuếch đại điện áp này lên.
* Dưới đây ta có một đường cong của hệ DTA.

Hình 1.3: đường cong của hệ DTA.
Ta thấy diện tích phần bên trên hay phần bên dưới của các đỉnh cho ta biết về năng
lượng ứng với các quá trình xẩy ra trong mẫu.
Khi dương thì mẫu đang toả nhiệt và ngược lại.
Ta có:

A = mq/gK
K: độ dẫn của mẫu.
g : thừa số hình dạng đỉnh.
q: lượng entanpy thay đổi / 1 đơn vị khối lượng.
Như vậy xác định diện tích các đỉnh, ta đã xác định năng lượng xảy ra quá

trình tương ứng, từ đó ta xác định được bản chất của quá trình và thời điểm xẩy ra quá
trình đó trong khi phân tích.
Xét một ví dụ:



-6-

Hình 1.4: Mẫu phân tích đất sét bằng DTA.
Mẫu phân tích trên là của đất sét, tốc độ thay đổi nhiệt độ là 10o C/phút. Đồ thị có
trên ta thấy trục tung được biểu diễn bằng các mức điện áp.
Thử phân tích một số điểm lưu ý ở kết quả phân tích mẫu trên. Tại 150 0 C, ta thấy
điện áp âm, tức là T âm, khi này mẫu đo đang thu nhiệt bởi ở nhiệt độ này nước đang
bắt đầu bay hơi nên cần nhiều năng lượng cho quá trình bay hơi đó. Đến khoảng gần
3500C, ta lại thấy có một đỉnh dương, mẫu đo đang toả nhiệt, ở đây ứng với quá trình ôxy
hoá các chất hữu cơ. Tăng nhiệt độ đến khoảng 570 0 C thì chuyển đổi thạch anh AnphaBeta xẩy ra, ứng với sự hấp thụ nhiệt của mẫu. Tại 900 0 C thì cấu trúc đất sét cuối cùng bị
gãy. Tiếp tục tăng nhiệt độ thì đến cỡ 950 0 C sự tái kết tinh oxit xảy ra, mẫu giải phóng
nhiệt.
1.4. Phân tích nhiệt lượng vi sai quét (DSC) [2]
1.4.1. Cơ sở và tính năng của phương pháp.
* DSC là phương pháp phân tích mà ở đó độ chênh lệch về nhiệt độ giữa mẫu chuẩn và
mẫu đo luôn bằng không. Trong quá trình chuyển pha của mẫu, năng luợng sẽ được bổ
xung vào mẫu hay có thể mất đi từ mẫu, ta sẽ xác định năng lượng đó thông qua tính diện
tích giới hạn bởi đồ thị mà ta thu được.
* Phương pháp DSC cho ta thông tin về sự chuyển pha của vật chất.
1.4.2. Thiết bị đo

Hình 1.5: Sơ đồ cung cấp nhiệt của DSC loại thông lượng nhiệt(a)
và bổ chính công suất (b)
Khi xuất hiện sự chuyển pha trong mẫu năng lượng sẽ được thêm vào hoặc mất đi
trong mẫu nghiên cứu hoặc mẫu chuẩn để có thể duy trì sự cân bằng nhiệt độ giữa các
mẫu. Vì giá trị năng lượng đưa vào tương ứng chính xác với giá trị năng lượng hấp thụ
hoặc giải phóng của sự chuyển pha nên năng lượng cân bằng này sẽ được ghi lại và cung
cấp kết quả đo trực tiếp cho năng lượng chuyển pha.



-7-

Ta thấy loại thông lượng nhiệt có một lò nhiệt còn loại bổ chính công suất có hai lò
nhiệt. Với hai lò nhiệt như vậy ta có thể đo trực tiếp công suất của các lò từ đó suy ra độ
chênh lệch về công suất, còn với một lò nhiệt thì ta lại dựa vào nhiệt độ.
1.4.3. Hoạt động và phân tích kết quả đo.
Quá trình phân tích nhiệt thường bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trờng, điều kiện
thí nghiệm, khả năng chống ăn mòn của vật liệu, khả năng phản hồi của thiết bị ghi,…
Khi đặt mẫu vào vị trí lò, tăng dần nhiệt độ của các lò, ta dùng một detector vi sai
công suất để đo sự khác nhau về công suất của các lò. Tín hiệu được khuếch đại và
chuyển lên bộ phận ghi dữ liệu.
Trong phép phân tích DSC đường cong thu được thường thay đổi xung quanh trục
nhiệt độ, và suất hiện các đỉnh thu nhiệt và toả nhiệt ứng với các quá trình chuyển pha của
mẫu.
Ví dụ để xác định các điểm chuyển pha của polyme.

Tg: là nhiệt độ chuyển pha thuỷ tinh, lúc này nhiệt dung của mẫu tăng do vậy dòng
nhiệt tăng lên.
Tc : Nhiệt độ kết tinh, khi nhiệt độ tăng các sợi polyme sẽ nhận đủ năng lượng
và sắp xếp có trật tự hơn (tinh thể). Quá trình này mẫu giải phóng năng lượng.
Tm : Nhiệt độ tan của mẫu, lúc này tinh thể polyme tan ra, các sợi polyme chuyển
động tự do, vì vậy chúng đã hấp thụ một nhiệt lượng.


-8-

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NHIỄU XẠ TIA X (XRD)
2.1. Sơ lược về lịch sử tia X [3]
1895: tia X được W.C. Rơntgen Lần đầu tiên phát hiện ra.


Hình 2.1. Wilhelm Conrad Röntgen (1845 -1923)
The first Nobel Prize for Physics, in 1901

Hình 2.2. Bức ảnh tia X đầu tiên được ghi nhận bởi Roentgen. Đó là bàn tay của Alfred
von Kolliker, chụp vào ngày 23/1/1896.
Lịch sử của nhiễu xạ tia X bởi tinh thể


-9-

Hiện tượng nhiễu xạ tia X được quan sát đầu tiên bởi Max Von Laue (1879 – 1960)
vào năm 1912, (giải thưởng Nobel Vật lý năm 1914). Sau đó, là hai cha con William
Henry Bragg (1862 – 1942) và William Lawrence Bragg (1890 – 1971), hai nhà vật lý của
phòng thí nghiệm Cavendish, Đại học Cambridge (Anh). Hai cha con đã xây dựng mô
hình 2 chiều cho hiện tượng nhiễu xạ tia X trên các mặt tinh thể, và xây dựng thành công
“Định luật Bragg”. Định luật của cha con Bragg đã đem lại cho họ giải Nobel Vật lý vào
năm 1915, và cũng giúp cho hàng loạt các tinh thể được tính toán cấu trúc chính xác từ
phép nhiễu xạ tia X.

Hình 2.3. Max vol Laue
Germany1879 –1960
The Nobel Prize in Physics 1914
"for his discovery of the diffraction of X-rays by crystals"

Hình 2.4. William Henry Bragg
United Kingdom1862 -1942
The Nobel Prize in Physics 1915
"for their services in the analysis of crystal structure by means
of X-rays"

Hình 2.5. William Lawrence Bragg
United Kingdom1890 (in Australia) –1971The Nobel Prize in
Physics 1915
"for their services in the analysis of crystal structure by means of
X-rays"

2.2. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) [4]
Là một trong những phương pháp được sử dụng khá phổ biến, để nghiên cứu vật
liệu, đặc biệt là trong nghiên cứu cấu trúc tinh thể vật chất.


- 10 -

Hình 2.6. Máy nhiễu xạ tia X:
Theo lý thuyết cấu tạo tinh thể, mạng tinh thể được xây dựng từ các nguyên tử hay
ion phân bố đều đặn trong không gian theo một trật tự nhất định. Khi chùm tia X tới bề
mặt tinh thể và đi sâu vào bên trong mạng lưới tinh thể thì mạng tinh thể này đóng vai trò
như một cách tử nhiễu xạ đặc biệt. Các nguyên tử, ion bị kích thích bởi chùm tia X sẽ
thành các tâm phát ra các tia phản xạ. Khi đó những tia phản xạ ở trên cùng một mặt
phẳng sẽ cùng pha vì hiệu quang trình của chúng bằng không. Mặt khác, các nguyên tử,
ion này được phân bố trên các mặt phẳng song song.

Hình 2.7. Sơ đồ minh họa khi chiếu tia X lên một họ mặt mạng.
Để có hiện tượng nhiễu xạ thì hiệu quang lộ phải bằng một số nguyên lần bước
sóng thì các tia phản xạ từ họ mặt mạng của tinh thể được tăng cường (cùng pha) tức là:
2d.sinθ = nλ


- 11 -


Phương trình này được gọi là phương trình Vulf-Bragg hay còn gọi là điều kiện
nhiễu xạ Bragg. Phương trình này biểu thị mối liên hệ giữa độ dài khoảng cách giữa hai
mặt phẳng nguyên tử song song (d), góc giữa chùm tia X và mặt phẳng phản xạ (θ) và
bước sóng của tia X (λ), n là bậc nhiễu xạ, là những nhóm vị trí ghi nhận tia X nhiễu xạ từ
mẫu có cường độ khác nhau, n = 1 tương ứng với vị trí ghi nhận cường độ tia X lớn nhất
(n là số nguyên). Đây là phương trình cơ bản cho việc xác định bước sóng của tia X hay
khảo sát cấu trúc tinh thể.
Nhận thấy rằng, chỉ những họ mặt phẳng song song thỏa mãn định luật Bragg mới
cho chùm tia nhiễu xạ có thể quan sát được và muốn thỏa mãn định luật Bragg bức xạ
phải có bước sóng λ ≤ 2d (để sinθ < 1) Nếu định luật Bragg không được thỏa mãn thì sự
giao thoa thực chất sẽ không có vì cường độ nhiễu xạ thu được là rất nhỏ. Căn cứ vào các
cực đại nhiễu xạ trên giản đồ nhiễu xạ Rơnghen xác định được 2θ. Từ đó tính ra d theo hệ
thức Vulf- Bragg, so sánh gía trị d tìm được với d của mẫu chuẩn thì sẽ xác định được
thành phần cấu trúc mạng tinh thể cuả mẫu phân tích.
2.3. Các ứng dụng của XRD
• Dựa trên những dấu hiệu chủ yếu cung cấp thông tin về mẫu trên các giản đồ XRD như :
– Vị trí các peak nhiễu xạ
– Độ rộng của peak nhiễu xạ
– Cường độ nhiễu xạ của peak
• Một số ứng dụng điển hình của kỹ thuật XRD. Vì XRD là một kỹ thuật không phá hủy,
nên có thể sử dụng để:
– Xác định pha tinh thể (cả định tính và định lượng);
– Xác định sự định hướng tinh thể;
–Xác định các tính chất cấu trúc: Các hằng số mạng (10-4 Å), ứng suất/biến dạng mạng,
kích thước hạt, sự sắp xếp tinh thể (expitaxy), thành phần pha, sự định hướng ưu tiên
(Laue, texture), chuyển pha trật tự-không trật tự, dãn nở nhiệt;
– Đo chiều dày màng mỏng và màng đa lớp;
– Xác định sự sắp xếp các nguyên tử;
– Tìm các giới hạn dung dịch rắn hay hợp kim;
2.4. Ví dụ ứng dụng của XRD [5]

Quan sát hiệu ứng của kích thước kết đám (Coherent Domain Size)


- 12 -

Kích thước các hạt kết tụ từ các hạt siêu mịn Cu70Zn30 chế tạo bằng phương pháp nghiền
quay nguội (nghiền trong nước) đã tăng lên khi tăng nhiệt độ ủ.
Cấu trúc của các phân tử nano vàng hiện rõ nhờ
phép phân tích cấu trúc tinh thể dưới tia X. Đó
là công việc chưa từng có do Roger Kornberg
và các đồng nghiệp đã thực hiện. Theo đó, các
nhà nghiên cứu đã lần đầu tiên vén bức màn cấu
trúc phân tử nano vàng.

Cấu trúc tinh thể và phổ nhiễu xạ tia X của vật liệu LaOFeAs


- 13 -

Hình 2.8. Phổ nhiễu xạ XRD của SiC.
Trên hình 2.8 ta thấy phổ nhiễu xạ bao gồm các đỉnh có cường độ khác nhau. Mỗi
đỉnh tương ứng với một phản xạ của họ mặt (hkl) nào đó. Từ giản đồ nhiễu xạ ta thu được
thông tin về độ rộng của đỉnh nhiễu xạ, cường độ nhiễu xạ của đỉnh, vị trí các đỉnh nhiễu
xạ …
2.5. Ưu điểm và nhược điểm của phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
2.2.1. Ưu điểm
Ưu điểm nổi bật của phương pháp này là có thể tiến hành đo trong môi trường bình
thường. Ảnh thu được bằng tốc độ chụp nhanh, chụp rõ nét. Ngoài ra phổ ảnh chụp được
cấu trúc bên trong tinh thể vật liệu cho hình ảnh 3D và có thể chụp các mao quản kích cỡ
dưới 50nm, cấu trúc nhiều lớp.

2.2.2. Nhược điểm
Nhược điểm nổi của phương pháp này là vấn đề chi phí cao cho đầu tư thiết bị
cũng như đào tạo nhân viên kỹ thuật cao chuyên sâu về vận hành


- 14 -

CHƯƠNG 3. HIỂN VI ĐIỆN TỬ TRUYỀN QUA (TEM)
1.1. Sơ lược về lịch sử hiển vi điện tử truyền qua (TEM) [7]
Năm 1931, lần đầu tiên Ernst August Friedrich Ruska cùng với một kỹ sư điện là
Max Knoll lần đầu tiên dựng nên mô hình kính hiển vi điện tử truyền qua sơ khai, sử
dụng các thấu kính từ để tạo ảnh của các sóng điện tử. Thiết bị thực sự đầu tiên được xây
dựng vào năm 1938 bởi Albert Presbus và James Hillier (1915-2007) ở Đại học Toronto
(Canada) là một thiết bị hoàn chỉnh thực sự. Nguyên tắc tạo ảnh của TEM gần giống với
kính hiển vi quang học, điểm khác quan trọng là sử dụng sóng điện tử thay cho sóng ánh
sáng và thấu kính từ thay cho thấu kính thủy tinh

Hình 3.1. Ernst Ruska ( 1906–1988)

Hình 3.2. Max Knoll

nhà vật lý người Đức
3.2. Khái niệm
Là một thiết bị nghiên cứu, sử dụng chùm điện tử có năng lượng cao chiếu xuyên
qua mẫu nhỏ và sử dụng các thấu kính từ để tạo ảnh với độ phóng đại lớn (có thể tới hàng
triệu lần), ảnh có thể tạo ra trên màn huỳnh quang, trên film quang học, hoặc ghi nhận
bằng các máy chụp kỹ thuật số.
Một điện tử chuyển động với vận tốc (V), sẽ có xung lượng p = m0.v, và nó tương
ứng với một sóng có bước sóng cho bởi hệ thức de Broglie:


3.3. Nguyên tắc hoạt động của (TEM) [6], [7]
Điện tử được phát ra từ súng phóng điện tử được tăng tốc bởi một điện trường lớn
(khoảng vài trăm kV) và hội tụ thành một chùm điện tử hẹp (nhờ hệ diaphragm và thấu
kính từ), rồi chiếu xuyên qua mẫu mỏng, từ đó tạo ra ảnh thật của vật trên màn huỳnh
quang


- 15 -

Hình 3.3. Sơ đồ hoạt động của TEM
* Xử lý mẫu cho phép đo TEM
Vì sử dụng chế độ điện tử đâm xuyên qua mẫu vật nên mẫu vật quan sát trong
TEM luôn phải đủ mỏng. Xét trên nguyên tắc, TEM bắt đầu ghi nhận được ảnh với các
mẫu có chiều dày dưới 500 nm, tuy nhiên, ảnh chỉ trở nên có chất lượng tốt khi mẫu
mỏng dưới 150 nm. Vì thế, việc xử lý (tạo mẫu mỏng) cho phép đo TEM là cực kỳ quan
trọng.
+ Phương pháp truyền thống
Phương pháp truyền thống là sử dụng hệ thống mài cắt cơ học. Mẫu vật liệu được
cắt ra thành các đĩa tròn (có kích thước đủ với giá mẫu) và ban đầu được mài mỏng đến
độ dày dưới 10 μmm (cho phép ánh sáng khả kiến truyền qua). Tiếp đó, việc mài đến độ
dày thích hợp được thực hiện nhờ thiết bị mài bằng chùm iôn, sử dụng các iôn khí
hiếm (được gia tốc với năng lượng dưới 10 kV) bắn phá đến độ dày thích hợp. Cách thức
xử lý này tốn nhiều thời gian và đòi hỏi mức độ tỉ mỉ rất cao.
+Sử dụng kỹ thuật chùm iôn hội tụ
Kỹ thuật chùm iôn hội tụ là thực hiện việc xử lý mẫu trên thiết bị cùng tên. Người
ta dùng một chùm iôn (của kim loại lỏng, thường là Ga), được gia tốc tới năng lượng cao
(cỡ 30 - 50 kV) được hội tụ thành một chùm rất nhỏ và được điều khiển nhờ hệ thấu kính
điện từ để cắt ra các lát mỏng, hàn gắn trên giá mẫu và mài mỏng đến mức độ đủ mỏng.



- 16 -

Các công việc được tiến hành nhờ điều khiển bằng máy tính và trong chân không cao.
Phép xử lý này tiến hành rất nhanh và có thể cho mẫu rất mỏng, nhưng đôi khi mẫu bị
nhiễm bẩn từ các iôn Ga.
3.4. Ứng dụng của (TEM)
TEM có thể giúp ta quan sát cấu trúc hạt, sau đó có thể quan sát các cấu trúc đó tới
độ phân giải cao, để quan sát phân giải các mặt tinh thể, xác định các hạt đó có cấu trúc
kiểu gì: tinh thể – không tinh thể, đơn tinh thể hay đa tinh thể… Dùng các phép phân tích
EDX hoặc EELS thì ta có thêm các thông tin về hóa học, cấu trúc hóa học. Xa hơn nữa,
nếu vật liệu là vật liệu từ, thì Lorentz TEM sẽ chụp ra các cấu trúc từ ở thang nanomet, và
giải thích được các cơ chế từ hóa, hoặc tính chất vi từ.
3.5. Ảnh chụp của TEM [7]

Hình 3.4. Ảnh của mẫu Fe3O4
3.6. Ưu điểm và khuyết điểm của (TEM) [7]
3.6.1. Ưu điểm
- Có độ phóng đại lớn,vì vậy có thể nghiên cứu ở mức nanomet
- Là phương pháp cực kì hiệu quả cho việc nghiên cứu cấu trúc của vật liệu nano
- Có ưu điểm trong việc nghiên cứu nhiễu xạ
3.6.2. Khuyết điểm
- Là thiết bị đắt tiền.
- Tốn nhiều thời gian sử lý mẫu để hạn chế việc phá hủy cấu trúc mẫu.
- Phải tạo môi trường chân không cao cho các thiết bị.
- Và người vận hành phải có kinh nghiệm

CHƯƠNG 4. HIỂN VI LỰC NGUYÊN TỬ (AFM)


- 17 -


4.1. Sơ lược về lịch sử hiển vi lực nguyên tử (AFM) [8]
- Được sáng chế bởi Gerd Binnig và Christoph Gerber vào năm 1986.
- Loại kính này được phát triển từ một loại kính hiển vi tunen cũng do hai ông chế
tạo vào năm 1982.
- Kính có độ phân giải ở cấp độ nanômét, thuộc nhóm kính hiển vi quét đầu dò
hoạt động trên nguyên tắc quét đầu dò trên bề mặt.

4.2. Khái niệm [9]
Kính hiển vi lực nguyên tử hay kính hiển vi nguyên tử lực (tiếng Anh: Atomic
force microscope, viết tắt là AFM) là một thiết bị quan sátcấu trúc vi mô bề mặt của vật
rắn dựa trên nguyên tắc xác định lực tương tác nguyên tử giữa một đầu mũi dò nhọn với
bề mặt của mẫu, có thể quan sát ở độ phân giải nanômét,

Hình 4.1. Sơ đồ AFM
4.3. Nguyên lý hoạt động của (AFM) [8]


- 18 -

Khi mũi nhọn quét gần bề mặt mẫu sẽ xuất hiện lực VandeWalt giữa các nguyên tử
làm rung thanh rung.
Dao động của thanh rung do lực tương tác được ghi lại nhờ một tia laser chiếu qua
bề mặt của thanh rung.
Dao động của thanh rung làm thay đổi góc lệch của tia laser và được detector ghi
lại. => Việc ghi lại lực tương tác trong quá trình thanh rung quét trên bề mặt sẽ cho hình
ảnh cấu trúc bề mặt của mẫu vật
Chiếu chùm tia laze vào mặt phản xạ của cần quét

Khi đầu dò quét lên bề mặt mẫu, do sự mấp mô của bề mặt mẫu đầu dò sẽ rung lên

theo phương thẳng đứng, chùm tia laze phản xạ trên cần quét sẽ bị xê dịch.

Khi đầu dò đưa lại gần bề mặt mẫu thì xuất hiện những lực giữa đầu dò và bề mặt mẫu.


- 19 -

Hình 4.2. Sơ đồ giải thích cơ chế làm việc của kính hiển vi lực nguyên tử
4.4. Ứng dụng của AFM
Có thể quan sát được các bề mặt cỡ nanomet nghiên cứu trong các lĩnh vực giống
STM nhưng không hạn chế về tính dẫn điện của mẫu ( sinh học , bề mặt..)
4.5. Một số hình ảnh về ứng dụng của AFM [8]

Hình 4.3. Lớp vàng dày 400 nanometer bốc
hơi trên một lớp bề mặt silicon. Sau khi ngâm
trong dung dịch axit KI va I2, hình ảnh này
đã được chụp bởi máy AFM ở chế độ
“tapping mode” với độ phóng đại 20000

Hình 4.4. Hình ảnh của một khối vật chất
bị khiếm khuyết chụp bằng máy AFM


- 20 -

Hình 4.5. Ảnh chụp bề mặt của một tấm
thủy tinh

Hình 4.6. Hình ảnh chụp bằng AFM của lớp
phủ polymer mềm trên cạnh của một lưỡi

dao giúp làm sáng tỏ cơ chế của sự tích tụ
polymer trên bề mặt thép

4.6. Ưu điểm và khuyết điểm của AFM [8]
4.6.1. Ưu điểm:
Đo được cả vật dẫn điện và vật không dẫn điện.
AFM không đòi hỏi môi trường chân không cao, có thể hoạt động ngay trong môi
trường bình thường.
AFM cũng có thể tiến hành các thao tác di chuyển và xây dựng ở cấp độ từng
nguyên tử, một tính năng mạnh cho công nghệ nano.
Mẫu chuẩn bị đơn giản, cho thông tin đầy đủ hơn so với hình ảnh của hiển vi điện
tử truyền qua.
AFM cung cấp những phép đo độ cao trực tiếp về địa hình của mẫu và những hình
ảnh khá rõ ràng về những đặc trưng bề mặt mẫu (không cần lớp bao phủ mẫu)
4.6.1. Khuyết điểm :
AFM quét ảnh trên một diện tích hẹp (tối đa đến 150 micromet).
Tốc độ ghi ảnh chậm do hoạt động ở chế độ quét.
Chất lượng ảnh bị ảnh hưởng bởi quá trình trễ của bộ quét áp điện.
Đầu dò rung trên bề mặt nên kém an toàn, đồng thời đòi hỏi mẫu có bề mặt sạch và
sự chống rung.


- 21 -

CHƯƠNG 5. PHổ TÁN SẮC NĂNG LƯỢNG TIA X (EDX)
5.1. Sơ lược về lịch
Kỹ thuật EDX được phát triển từ những năm 1960s và thiết bị thương phẩm xuất
hiện vào đầu những năm 1970s với việc sử dụng detector dịch chuyển Si, Li hoặc Ge.
5.1. Phương pháp phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) là gì
Phổ tán xạ năng lượng tia X, hay Phổ tán sắc năng lượng là kỹ thuật phân tích

thành phần hóa học của vật rắn dựa vào việc ghi lại phổ tia X phát ra từ vật rắn do tương
tác với các bức xạ (mà chủ yếu là chùm điện tử có năng lượng cao trong cáckính hiển vi
điện tử). Trong các tài liệu khoa học, kỹ thuật này thường được viết tắt
là EDX hay EDS xuất phát từ tên gọi tiếng Anh Energy-dispersive X-ray spectroscopy.
5.3. Nguyên tắc hoạt động
Kỹ thuật EDX chủ yếu được thực hiện trong các kính hiển vi điện tử, trong đó, ảnh
vi cấu trúc vật rắn được ghi lại thông qua việc sử dụng chùm điện tử có năng lượng cao
tương tác với vật rắn. Khi chùm điện tử có năng lượng lớn được chiếu vào vật rắn, nó sẽ
đâm xuyên sâu vào nguyên tử vật rắn và tương tác với các lớp điện tử bên trong của
nguyên tử. Tương tác này dẫn đến việc tạo ra các tia X có bước sóng đặc trưng tỉ lệ với
nguyên tử số (Z) của nguyên tử theo định luật Mosley:
mc q cA  3 
2
2
15
f =ν =
 ( Z − 1) = ( 2.48 * 10 )( Z − 1)
3 2
8h ε 0  4 

Có nghĩa là, tần số tia X phát ra là đặc trưng với nguyên tử của mỗi chất có mặt
trong chất rắn. Việc ghi nhận phổ tia X phát ra từ vật rắn sẽ cho thông tin về các nguyên
tố hóa học có mặt trong mẫu đồng thời cho các thông tin về tỉ phần các nguyên tố này.
Có nhiều thiết bị phân tích EDX nhưng chủ yếu EDX được phát triển trong các
kính hiển vi điện tử, ở đó các phép phân tích được thực hiện nhờ các chùm điện tử có
năng lượng cao và được thu hẹp nhờ hệ các thấu kính điện từ. Phổ tia X phát ra sẽ có tần
số (năng lượng photon tia X) trải trong một vùng rộng và được phân tich nhờ phổ kế tán
sắc năng lượng do đó ghi nhận thông tin về các nguyên tố cũng như thành phần. Kỹ thuật
EDX được phát triển từ những năm 1960 và thiết bị thương phẩm xuất hiện vào đầu
những năm 1970 với việc sử dụng detector dịch chuyển Si, Li hoặc Ge.



- 22 -

Hình 5.1. Nguyên lý của phép phân tích EDX
Khi chùm điện tử có năng lượng cao tương tác với các lớp vỏ điện tử bên trong của
nguyên tử vật rắn, phổ tia X đặc trưng sẽ được ghi nhận
5.4. Ứng dụng
Phép đo XPS cho chúng ta xác định chính xác thành phần các chất có trong mẫu
thí nghiệm và tỷ lệ cấu tạo của chúng
5.5. Ví dụ
Xúc tác x% SO42-/Fe2O3 - ảnh hưởng của hàm lượng SO42-.
Mẫu Fe2O3 điều chế được sunfat hóa với thành phần SO 42- lần lượt chiếm 15%,
30%, 45% khối lượng nền. Các mẫu xúc tác SF được kiểm tra bằng phương pháp đo phổ
nhiễu xạ tia X thể hiện ở hình (a),(b),(c).
VNU-HN-SIEMENS D5005 - Mau Fe1,95Al0,05O3 - 5%SO4

160
150

80

d=2.2003

70
60

d=1.5984

50


d=1.8407

90

d=1.6924

d=3.669

Lin (Cps)

110
100

d=1.4513

120

d=1.4838

130

d=2.5132

d=2.6956

140

40
30

20
10
0
10

20

30

40

50

60

70

2-Theta - Scale
File: Hai-KhHOA-Fe1,95Al0,05-5%SO4.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 10.000 ° - End: 70.000 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1.0 s - Temp.: 25.0 °C (Room) - Anode: Cu - Creation: 07/03/12 11:50:41
33-0664 (*) - Hematite, syn - Fe2O3 - Y: 85.18 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056


- 23 -

Hình ảnh minh họa Phổ tán sắc năng lượng tia X mẫu màng mỏng, ghi nhận trên kính
hiển vi điện tử truyền qua FEI Tecnai TF20.

5.6. Ưu điểm và nhược điểm
5.6.1. Ưu điểm:
Có thể xác định được hầu hết các nguyên tố và trạng thái electron của chúng. (Ví

dụ: Có thể xác định được Fe-II hoặc Fe-III trong hợp chất). Kết quả định lượng tương đối
chính xác khi cần xác định tới 1 con số.
Xác định được trạng thái phân bổ bề mặt của các nguyên tố tại bề mặt mẫu thí
nghiệm (chừng vài nanomet). Có thể sử dụng thêm phương pháp Argon Etching nếu
muốn biết sự phân bổ theo chiều sâu mẫu thí nghiệm.
5.6.2. Khuyết điểm:
Không thể dùng để xác định Helium và Hydro.
Cần môi trường chân không cao và cố định mẫu thí nghiệm ổn định trong suốt quá
trình đo.


- 24 -

Mẫu thí nghiệm có thể sẽ bị ảnh hưởng do sự công phá của tia X nên trong một số
trường hợp nhất định, kết quả đo có thể bị sai lệch.
Khó dùng để tiến hành phép đo định lượng đối với hợp chất chứa Carbon (mẫu thí
nghiệm dễ bị bám bởi tạp chất trong quá trình hút chân không).


- 25 -

KẾT LUẬN
Có rất nhiều phương pháp xác định tính chất của vật liệu hấp thụ, tuy nhiên trong
chủ đề chỉ giới hạn một số phương pháp cơ bản để chúng ta có một cách nhìn sơ lượt về
thành phần và cấu trúc của vật liệu hấp thụ.
- Đối với phương pháp phân tích nhiệt giúp ta phân biệt các nhiệt độ đặc trưng,
hành vi nóng chẩy và kết tinh của vật liệu, độ ổn định nhiệt.
- Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) giúp ta xác định pha tinh thể (cả định tính và định
lượng); xác định sự định hướng tinh thể; xác định các tính chất cấu trúc.
- Phương pháp Hiển vi điện tử truyền qua (TEM) giúp ta có thể quan sát các cấu


trúc đó tới độ phân giải cao, để quan sát phân giải các mặt tinh thể, xác định các hạt đó có
cấu trúc kiểu gì: tinh thể – không tinh thể, đơn tinh thể hay đa tinh thể…
- Phương pháp hiển vi lực nguyên tử (AFM) có thể quan sát được các bề mặt cỡ
nanomet nghiên cứu trong các lĩnh vực giống STM nhưng không hạn chế về tính dẫn điện
của mẫu ( sinh học , bề mặt..)
- Phương pháp phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) phép đo XPS cho chúng ta xác
định chính xác thành phần các chất có trong mẫu thí nghiệm và tỷ lệ cấu tạo của chúng.