Nhiễu xạ điện tử

Nhiễu xạ điện tử.Nhiễu xạ điện tử là hiện tượng sóng điện tử nhiễu xạ trên các mạng tinh thể chất rắn, thường được dùng để nghiên cứu cấu trúc chất rắn bằng cách dùng một chùm điện tử có động năng cao chiếu qua mạng tinh thể chất rắn, từ đó phân tích các vân giao thoa để xác định cấu trúc vật rắn. Tinh thể chất rắn có tính chất tuần hoàn, vì thế nó đóng vai trò như các cách tử nhiễu xạ. ...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nhiễu xạ điện tử Nhiễu xạ điện tửNhiễu xạ điện tử là hiện tượng sóng điện tử nhiễu xạ trên các mạng tinh thểchất rắn, thường được dùng để nghiên cứu cấu trúc chất rắn bằng cách dùngmột chùm điện tử có động năng cao chiếu qua mạng tinh thể chất rắn, từ đóphân tích các vân giao thoa để xác định cấu trúc vật rắn.Tinh thể chất rắn có tính chất tuần hoàn, vì thế nó đóng vai trò như các cáchtử nhiễu xạ. Nếu như các mặt tinh thể có khoảng cách liên tiếp là d thì gócnhiễu xạ sẽ cho cực đại nhiễu xạ tuân theo công thức Bragg:2dsinθ = nλvới λ là bước sóng, θ là góc nhiễu xạ, n là số nguyên (n = 0, 1, 2...) cũng làbậc giao thoa. Hiện tượng này được ứng dụng dựa trên lưỡng tính sóng hạtcủa vật chất. Khi một chùm điện tử có xung lượng p, sẽ tương ứng với mộtsóng có bước sóng cho bởi công thức theo lý thuyết de Broglie:với h là hằng số Planck.Dựa vào quan hệ giữa động năng E của điện tử và thế gia tốc V, ta có thể xácđịnh bước sóng λ quan hệ với thế tăng tốc theo công thức (chưa tính đến hiệuứng tương đối tính):với thế tăng tốc V cỡ 200 kV trở lên, hiệu ứng tương đối tính trở thành đángkể, và bước sóng cho bởi công thức tổng quát:Về mặt bản chất, nhiễu xạ điện tử cũng gần tương tự như nhiễu xạ tia X haynhiễu xạ neutron. Có điều, nhiễu xạ điện tử thường được dùng trong các kínhhiển vi điện tử như kính hiển vi điện tử truyền qua TEM, kính hiển vi điện tửquét SEM (sử dụng nhiễu xạ điện tử tán xạ ngược - back scattering electrondiffraction)...Lịch sửPhổ nhiễu xạ điện tử lựa chọn vùng trên mẫu tinh thể nano FeSiBNbCuNhiễu xạ điện tử bắt đầu từ năm 1926 với lý thuyết sóng của Louis deBroglie, và ba năm sau đó hai thí nghiệm độc lập về nhiễu xạ điện tử đượctiến hành đồng thời khẳng định lý thuyết này: George Paget Thomson (Đạihọc Anberdeen tại Scotland) phát hiện các vân giao thoa của chùm điện tửkhi chiếu qua màng mỏng kim loại và Clinton Josseph Davisson và LesterHalbert Germer (Phòng Thí nghiệm Bell tại Mỹ) phát hiện hiện tượng nhiễuxạ điện tử trên các tinh thể niken. Davisson và Thomson đều cùng nhận giảiNobel năm 1937 cho phát hiện này.Nhiễu xạ điện tử lựa chọn vùngNhiễu xạ điện tử lựa chọn vùng (Selected area diffraction - SAED) là mộtphương pháp nhiễu xạ sử dụng trong kính hiển vi điện tử truyền qua, sử dụngmột chùm điện tử song song chiếu qua một vùng chất rắn được lựa chọn. Phổnhiễu xạ sẽ là tập hợp các điểm sáng phân bố trên các vòng tròn đồng tâmquanh tâm là vân nhiễu xạ bậc 0 tạo trên mặt phẳng tiêu của vật kính (hìnhvẽ). Gọi là nhiễu xạ lựa chọn vùng bởi người dùng có thể dễ dàng lựa chọnmột vùng trên mẫu và chiếu chùm điện tử đi xuyên qua nhờ khẩu độ lựa chọnvùng (selected area aperture).Phương pháp này rất dễ thực hiện trong kính hiển vi điện tử, nhưng nó cómột nhược điểm là thực hiện trên một vùng diện tích khá rộng (vì để thựchiện trên một vùng hẹp thì khó tạo chùm điện tử song song) vì thế nếu muốnphân tích cấu trúc từng hạt tinh thể nhỏ thì khó thực hiện.Với phổ SAED, ta có thể chỉ ra tính chất của mẫu dựa theo đặc trưng củaphổ:  Nếu phổ là tập hợp các điểm sáng sắc nét thì mẫu là đơn tinh thể (trong vùng lựa chọn)  Nếu phổ là các đường tròn liên tục thì mẫu là đa tinh thể, sự tăng kích thước hạt dẫn đến sự sắc nét của phổ.  Nếu phổ là các đường tròn nhòe, cường độ yếu thì mẫu là vô định hìnhNhiễu xạ chùm điện tử hội tụPhương pháp nhiễu xạ chùm điện tử hội tụ và phổ CBED của mẫu đơn tinhthể SiNhiễu xạ chùm điện tử hội tụ (Convergent beam electron diffraction - CBED)là phương pháp nhiễu xạ điện tử bằng cách hội tụ một chùm điện tử hẹpchiếu qua mẫu cần phân tích, lần đầu tiên được thực hiện bởi Kossel vàMollenstedt vào năm 1939.Với phương pháp này, chùm điện tử được hội tụ thành một điểm rất hẹp vàcó thể phân tích một diện tích rất nhỏ có thể tới cỡ vài chục angstrom, hoặcvài angstrom. Vì các chùm tia được hội tụ nên sẽ có nhiều chùm tia tán xạtheo các phương khác nhau. Phương pháp CBED rất mạnh cho việc phân tíchtính đối xứng tinh thể, định hướng tinh thể của chất rắn, xác định nhómkhông gian, thành phần pha, và độ dày mẫu... Đồng thời CBED cũng rấtmạnh cho việc phân tích tính hoàn hảo của tinh thể. Tuy nhiên, CBED khóthực hiện hơn nhiều so với SAED. Phương pháp CBED thường chỉ có trongcác kính hiển vi điện tử truyền qua quét (Scanning TEM - STEM), tức làdùng chùm điện tử hội tụ (hẹp) chiếu xuyên và quét qua mẫu.Nhiễu xạ điện tử năng lượng thấpNhiễu xạ điện tử năng lượng thấp (Low energy electron diffraction - LEED)là phương pháp nhiễu xạ điện tử sử dụng các chùm điện tử có năng lượngthấp (từ 10 đến 600 V), chiếu tán xạ trên bề mặt mẫu, thường dùng để phântích các tính chất bề mặt của chất rắn. Phương pháp này được thực hiện lầnđầu tiên vào năm 1929 bởi Davisson và Germer trên các đơn tinh thể Si.Chùm điện tử được chiếu tán xạ trên bề mặt mẫu, do có năng lượng thấp nênchỉ tương tác với một lớp mỏng tại bề mặt của mẫu, phổ n ...