Thạc Sĩ Ứng dụng phương pháp Laue vào khảo sát tính đối xứng của vật liệu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
Chuyên ngành: Quang học
LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ
Năm 2011

MỤC LỤC
Lời cảm ơn i
Mục lục . iii
Danh mục các bảng . vi
Danh mục các hình . vii
Lời mở đầu . xii


PHẦN A LÝ THUYẾT TỔNG QUAN 1
CHƯƠNG 1 TINH THỂ VÀ LÝ THUYẾT NHIỄU XẠ TIA X 2
1.1 TỔNG QUAN VỀ TINH THỂ . 2
1.1.1 Tinh thể và các tính chất cơ bản của tinh thể . 2
1.1.2 Các yếu tố đối xứng . 3
1.1.3 Các hệ tinh thể 5
1.1.4 Phép chiếu dùng trong tinh thể học - Lưới Wult . 7
1.1.4.1 Phép chiếu gnomon 7
1.1.4.2 Phép chiếu nổi 8
1.1.4.3 Lưới Wult . 10
1.2 Lý thuyết về nhiễu xạ tia X trên tinh thể 13
1.2.1 Tia X (tia Rơn-ghen) 13
1.2.2 Nhiễu xạ tia X 15
1.2.3 Định luật Bragg 16


CHƯƠNG 2CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH XRD . 18
2.1 Phương pháp nhiễu xạ bột (hay Phương pháp Debye-Sherrer) 18
2.1.1 Đặc điểm của phương pháp bột . 18
2.1.2 Phương pháp Debye-Scherrer 19
2.1.3 Phương pháp nhiễu xạ kế . 21
2.1.4 Những ứng dụng phân tích của phương pháp bột, nhiễu xạ tia X . 23
2.2 Phương pháp quay đơn tinh thể 23
2.3 Phương pháp Laue . 24
2.3.1 Nguyên lý tạo ảnh nhiễu xạ Laue . 26
2.3.2 Phân loại phương pháp Laue 28
2.3.2.1 Phương pháp Laue truyền qua 28
2.3.2.2.Phương pháp Laue phản xạ 29
2.3.3 Ứng dụng phương pháp Laue . 31


CHƯƠNG 3. VẬT LIỆU ĐƠN TINH THỂ . 33
3.1 Silic đơn tinh thể (chế tạo theo định hướng tinh thể) 33
3.2 Tinh thể KDP (vật liệu nuôi trồng tự nhiên) 35
3.2.1 Tính chất hóa học và vật lý của vật liệu KDP 35
3.2.2 Cấu trúc tinh thể của KDP . 36
3.2.3 Những tính chất đặc biệt và ứng dụng của KDP 37
3.3 Tinh thể đá quý Ruby (vật liệu tự nhiên) . 38
3.3.1 Tính chất vật lý và hóa học 39
3.3.2 Cấu trúc tinh thể . 40
3.3.3 Đặc điểm bao thể 42
3.4 Tinh thể thạch anh (vật liệu tự nhiên) . 43
3.4.1 Tính chất vật lý và hóa học 43
3.4.2 Cấu trúc tinh thể . 44
3.4.3 Đặc điểm bao thể 45
3.4.4 Ứng dụng 46


PHẦN B. THỰC NGHIỆM, KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN . 47
CHƯƠNG 4. TIẾN TRÌNH THỰC NGHIỆM . 48
4.1 XÂY DỰNG HỆ ĐO LAUE . 48
4.1.1 Nguyên tắc và cấu tạo: . 48
4.1.2 An toàn tia Rơn ghen: 52
4.2 TIẾN TRÌNH THỰC NGHIỆM CHỤP ẢNH LAUE 54
4.2.1 Chuẩn bị thực nghiệm 54
4.3 Quy trình xác định mặt định hướng và đối xứng của vật liệu . 58
4.3.1 Xác định sự định hướng của tinh thể . 58
4.3.2 Xác định sự đối xứng của tinh thể 65
4.4 Các thông số ảnh hưởng đến kết quả đo . 68
4.4.1 Thời gian chụp mẫu tinh thể trong phương pháp Laue: . 68
4.4.2 Khoảng cách từ mẫu tới phim: . 70
4.4.3 Góc hợp bởi chùm tia X tới với mặt mạng tinh thể . 71
4.4.3.1 Dùng bàn tròn xoay để thay đổi góc tới theta của chùm tia X tới với
mặt phẳng mẫu. 72
4.2.3.2 Dùng mặt cong 1 và mặt cong 2 để điều chỉnh góc tới theta của
chùm tia X tới với mặt phẳng mẫu. 74

CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN . 83
5.1. NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU ĐƠN TINH THỂ ĐÁ QUÝ TỰ NHIÊN . 83
5.1.1 Mẫu saphia . 83
5.1.2 Mẫu thạch anh tự nhiên 90
5.1.2.1 Thạch anh tím . 90
5.1.2.2 Thạch anh trắng 92
5.1.3 Mẫu Ruby tự nhiên 100
5.2. NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU ĐƠN TINH THỂ NHÂN TẠO 105
5.2.1 Nghiên cứu vật liệu đơn tinh thể nuôi trồng KDP . 105
5.2.2 Nghiên cứu vật liệu đơn tinh thể chế tạo từ công nghiệp 111
5.2.2.1 Mẫu đơn tinh thể saphia đế 111
5.2.2.2 Mẫu đơn tinh thể Silic đế . 112


PHẦN C KẾT LUẬN . 114
Tài liệu tham khảo 116


DANH MỤC CÁC BẢNG


Bảng 3.1 Tính chất vật lý của KDP 36
Bảng 3.2 Tính chất vật lý của Ruby 40
Bảng 3.3Tính chất vật lý của Thạch anh . 43
Bảng 4.1 Bảng góc giữa các đường vùng trong hệ lập phương. . 62
Bảng 4.2 Minh họa 11 lớp đối xứng Laue 66
Bảng 5.1 Mối quan hệ giữa chỉ số Miller và góc nhiễu xạ của tinh thể ruby trong hệ ba phương 102
Bảng 5.2 Mối quan hệ giữa chỉ số Miller và góc nhiễu xạ của tinh thể ruby trong hệ sáu phương 103
Bảng 5.3 Biểu diễn liên hệ góc theta với hằng số mạng . 110

DANH MỤC CÁC HÌNH


Hình 1.1 Đa diện có và không có tâm đối xứng . 3
Hình 1.2 Các mặt đối xứng có thể có của hình chữ nhật 3
Hình 1.3 Minh họa các trục đối xứng nghịch đảo . 4
Hình 1.4 Minh họa 7 hệ tinh thể và 14 mạng Bravais tiêu biểu trong tinh thể . 6
Hình 1.5 Nguyên tắc của phép chiếu gnomon 8
Hình 1.6 Nguyên tắc của phép chiếu nổi 9
Hình 1.7 Biểu diễn của các mặt đối xứng bằng phép chiếu nổi 9
Hình 1.8 Hình ảnh một lưới Wufl . 10
Hình 1.9 Trình bày các ký hiệu của trục và mặt đối xứng trên hình chiếu nổi . 11
Hình 1.10 Hình chiếu nổi của mạng lập phương 11
Hình 1.11 Hình chiếu nổi và ký hiệu quốc tế của 32 nhóm đối xứng điểm . 12
Hình 1.12 Nguyên lý cấu tạo và làm việc của tia X 13
Hình 1.13 Quá trình tạo ra bức xạ hãm . 14
Hình 1.14 Bức xạ đặc trưng tia X . 14
Hình 1.15 Quá trình tán xạ đàn hồi ở một nguyên tử khi chiếu tia X vào tinh thể . 15
Hình 1.16 Sơ đồ minh họa khi chiếu tia X lên một họ mặt mạng . 16
Hình 2.1 Sự nhiễu xạ của tia X trên vật liệu đa tinh thể . 18
Hình 2.2 Các mặt nón nhiễu xạ . 18
Hình 2.3 Camera để lắp phim và phim sau khi được rửa 20
Hình 2.4 Minh họa cách lấy số liệu từ phương pháp bột 20
Hình 2.5 Mặt nón của nhiễu xạ bột . 21
Hình 2.6 Sơ đồ và máy nhiễu xạ kế 21
Hình 2.7 Phổ nhiễu xạ XRD của SiC 22
Hình 2.8 Sơ đồ phương pháp quay đơn tinh thể . 23
Hình 2.9 Sơ đồ chụp đơn tinh thể xoay . 24
Hình 2.10 Liên hệ mặt định hướng và chỉ số [hkl] . 25
Hình 2.11 Cầu Ewald 26
Hình 2.12 Mặt mạng tinh thể cắt hình cầu Ewald . 27
Hình 2.13 Trục vùng và sự hình thành đường vùng trên ảnh Laue 27
Hình 2.14 Góc giữa trục vùng và chùm tia tới các trường hợp a) 2φ <90o b)2φ=90o và c)2φ >90o. 28
Hình 2.15Sơ đồ tạo ảnh và cách bố trí chụp ảnh Laue truyền qua . 29
Hình 2.16 Sơ đồ tạo ảnh và cách bố trí chụp ảnh Laue phản xạ . 29
Hình 2.17 Các vết nhiễu xạ Laue (a) truyền qua và (b) phản xạ của một tinh thể Al (lập phương) 30
Hình 2.18 Hình ảnh đá quý sau khi chế tác 31
Hình 2.19 Kiểm tra cấu trúc tinh thể wafer Silic 32
Hình 3.1 Đế wafer Silic . 33
Hình 3.2 Silic đơn tinh thể 34
Hình 3.3 Cấu trúc tinh thể Silic với . ● nguyên tử Si và ○ là nút khuyết . 34
Hình 3.4 Liên kết cộng hóa trị trong tinh thể Si . 35
Hình 3.5 Tinh thể KDP và cấu trúc nguyên tử 35
Hình 3.6 Tinh thể KDP và các yếu tố đối xứng 37
Hình 3.7 Tinh thể Ruby nguồn gốc tự nhiên . 39
Hình 3.8 Corindon với nhiều màu khác nhau và viên Ruby
tự nhiên của Việt Nam 40
Hình 3.9 Mô hình cấu trúc tinh thể của Ruby . 41
Hình 3.10 Mô hình một số dạng tinh thể thường gặp của Ruby . 42
Hình 3.11 Các bao thể rutin, canxit, trong Ruby Việt Nam và các dạng bao thể lụa
của rutin gây nên hiệu ứng “sao” trong Ruby 42
Hình 3.12 Một số màu của thạch anh: màu tím, màu vàng, màu ám khói, hồng . 43
Hình 3.13 Mô hình cấu trúc tinh thể thạch anh sáu phương . 44
Hình 3.14 Dạng tinh thể lý tưởng của thạch anh và các mặt của nó . 44
Hình 3.15 Trục đối xứng tinh thể thạch anh . 45
Hình 3.16 Bao tinh thể thạch anh tóc xanh, bao thể dạng tinh thể âm chứa pha lỏng granat, bao tinh thể hematit. . 45
Hình 4.1 Nguyên tắc đo nhiễu xạ Laue với (1) là nguồn phát tia X; (2) ống chuẩn trực; (3) giá để mẫu; (4) bộ điều chỉnh góc ; (5) màn phim 48
Hình 4.2 Cấu tạo hệ đo Laue 51
Hình 4.3 Các chi tiết cấu thành của hệ đo Laue 52
Hình 4.4 Mẫu ruby tự nhiên. . 54
Hình 4.5 Mẫu ruby đã được chế tác. . 54
Hình 4.6 Mẫu thạch anh trắng tự nhiên. 55
Hình 4.7 Mẫu saphia tự nhiên. 55
Hình 4.8 Tinh thể nuôi trồng KDP. . 56
Hình 4.9 Mẫu Silic đế. 56
Hình 4.10 Mẫu saphia đế. . 56
Hình 4.11 Sơ đồ tóm tắt quá trình xác định tính định hướng của tinh thể . 58
Hình 4.12 Ảnh của vết nhiễu xạ của mẫu nhôm mỏng và đánh số thứ tự 58
Hình 4.13 Liên hệ giữa góc tới θ và khoảng cách D 59
Hình 4.14 Cách dựng hình chiếu . 59
Hình 4.15 Hình chiếu các đường vùng . 60
Hình 4.16 Xác định điểm chiếu của trục vùng 61
Hình 4.17 Xác định góc giữa 2 trục vùng . 61
Hình 4.18 Sự dịch chuyển của các điểm chiếu khi quay trục vùng theo hướng tia tới 63
Hình 4.19 Sự dịch chuyển của đường vùng theo pháp tuyến . 63
Hình 4.20 Hình chiếu chuẩn [001] và [011] của tinh thể lập phương 64
Hình 4.21 Ảnh Laue đối xứng bậc ba . 65
Hình 4.22 Các kiểu đối xứng của ảnh Laue 67
Hình 4.23Minh họa cách chọn vết đối xứng cao trên phim Laue . 68
Hình 4.24 Ảnh Laue của tinh thể saphia chụp với thời gian khác nhau. 69
Hình 4.25 Ảnh hưởng của khoảng cách từ mẫu tới phim. 70
Hình 4.26 Ảnh Laue của mẫu saphia khi chụp với khoảng cách D khác nhau 71
Hình 4.27 phim Laue của đá saphia đế . 72
Hình 4.28 Ảnh Laue của tinh thể saphia đế ứng với góc quay 200 , 400 về phía bên phải . 73
Hình 4.29 Ảnh Laue của tinh thể saphia đế ứng với góc quay 200 , 400 về phía bên trái . 74
Hình 4.30 Ảnh Laue của tinh thể saphia đế ứng với góc quay mặt cong 1 với 3 0 , 50 cùng chiều kim đồng hồ . 75
Hình 4.31 Ảnh Laue của tinh thể saphia đế ứng với góc quay mặt cong 2 30 , 5 0 , 150 ngược chiều kim đồng hồ . 76
Hình 4.32 Ảnh Laue của tinh thể saphia đế ứng với góc quay mặt cong 2 . 77
Hình 4.33 Ảnh Laue của tinh thể saphia đế ứng với góc quay 10 0 khi quay cả mặt cong 1 và 2 . 78
Hình 4.34 Ảnh Laue của tinh thể thạch anh trắng ứng với góc quay 10 0 khi quay cả mặt cong 1 và 2 . 79
Hình 4.35 Minh họa cách xử lý phim 4.34a) tìm góc quay của hai mặt cong. . 80
Hình 4.36 Minh họa cách xử lý phim 4.34b)tìm góc quay của hai mặt cong. 81
Hình 5.1 Ảnh Laue của tinh thể saphia tự nhiên. 84
Hình 5.2 Minh họa cách xử lý phim 5.1a) 84
Hình 5.3 Ảnh Laue của tinh thể saphia tự nhiên (mẫu 1 đi kèm ) 85
Hình 5.4 Ảnh Laue của tinh thể saphia tự nhiên 86
Hình 5.5 Minh họa cách xử lý phim 5.4a) tìm góc quay của hai mặt cong. . 87
Hình 5.6 Ảnh Laue của tinh thể saphia tự nhiên 87
Hình 5.7 Minh hoạ kích thước phim . 88
Hình 5.8 Ảnh Laue của tinh thể thạch anh tím tự nhiên . 90
Hình 5.9 Minh họa xử lý phim 5.8a) . 91
Hình 5.10 Hình chụp Laue của tinh thể thạch anh tím bậc ba 91
Hình 5.11 Ảnh Laue thứ nhất của tinh thể thạch anh trắng 92
Hình 5.12 Minh họa xử lý mẫu phim 5.11 . 93
Hình 5.13 ảnh Laue thứ nhất và hai của tinh thể thạch anh trắng 94
Hình 5.14 Minh họa xử lý mẫu phim thạch anh trắng 5.131* 95
Hình 5.15 Ảnh Laue của tinh thể thạch anh trắng bậc hai . 96
Hình 5.16Minh họa xử lý phim 5.15 . 97
Hình 5.17 ảnh Laue của đá thạch anh trắng bậc hai sau khi xử lý . 98
Hình 5.18Ảnh Laue của mẫu thạch anh trắng bậc hai 98
Hình 5.19 Ảnh Laue của tinh thể ruby lần 1 . 100
Hình 5.20Minh họa xử lý phim 5.19 . 100
Hình 5.21 Ảnh Laue của tinh thể ruby lần 2 . 101
Hình 5.22 Phổ nhiễu xạ của tinh thểruby sau khi được mài bóng . 103
Hình 5.23 Ảnh Laue của mẫu KDP lần 1 . 105
Hình 5.24 Hình minh họa xử lý phim Laue trên hình 5.23 . 106
Hình 5.25 Ảnh Laue của tinh thể KDP chụp lần 2 và lần 3 107
Hình 5.26 Minh họa xử lý mẫu phim Laue trên hình 5.25a) 107
Hình 5.27 Minh họa xử lý mẫu phim Laue trên hình 5.25b) 107
Hình 5.28 Ảnh Laue của tinh thể KDP đối xứng bậc 4 108
Hình 5.29 Phổ nhiễu xạ của tinh thể KDP 109
Hình 5.30 Ảnh Laue của mẫu đơn tinh thể saphia chuẩn . 111
Hình 5.31 Ảnh nhiễu xạ XRD của saphia đế 111
Hình 5.32 Ảnh Laue của đơn tinh thể Silic đế 112
Hình 5.33 Ảnh nhiễu xạ XRD của tinh thể Silic đế 112



LỜI MỞ ĐẦU


Công nghệ vật liệu, linh kiện bán dẫn đã thay đổi sâu sắt diện mạo xã hội trên mọi lĩnh vực. Trong tiến trình lịch sử của sự phát triển này, các loại vật liệu có cấu trúc tinh thể đã đóng một vai trò then chốt trong sự phát triển của các loại vật liệu mới. Do đó việc xác định cấu trúc, tính chất đối xứng các loại vật liệu này giữ vai trò vô cùng quan trọng trong công nghệ vật liệu đặc biệt là trong vật liệu bán dẫn cũng như trong tinh thể, đá quý . Như chúng ta biết do tính dị hướng của vật liệu tinh thể mà các tính chất cơ, quang, nhiệt, điện theo các hướng khác nhau thì khác nhau. Tùy vào mục đích ứng dụng, các nhà sản xuất chế tạo các loại vật liệu với những mặt định hướng
khác nhau nhằm đáp ứng các nhu cầu trong các ngành công nghệ hiện nay. Do đó, việc xác định mặt định hướng của vật liệu là cần thiết.
Bên cạnh đó, để nâng cao chất lượng thẫm mĩ của các loại vật liệu đá quý như ruby, thạch anh, saphia chúng cũng cần xác định mặt định hướng và bậc đối xứng để định hướng trong cưa cắt và chế tác vật liệu.


Như chúng ta được biết, nhiễu xạ Bột là phương pháp mạnh nhất về xác định cấu trúc vật liệu nhưng đối với một số loại vật liệu đá quý hay vật liệu ứng dụng làm đế trong chế tạo linh kiện cần xác định mặt định hướng hay bậc đối xứng của tinh thể thì phương pháp nhiễu xạ Bột chưa đạt được. Và phương pháp mạnh nhất để nghiên cứu sự định hướng, bậc đối xứng và dự đoán sơ bộ về cấu trúc của vật liệu đơn tinh thể là phương pháp Laue.


Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
Việc nghiên cứu tinh thể bằng phương pháp Laue đã có lịch sử rất lâu đời. Năm 1912 Max von Laue đã khám phá ra sự nhiễu xạ tia X (hiện tượng nhiễu xạ tia X) trên tinh thể. Từ đó mở ra cuộc cách mạng trong việc nghiên cứu tinh thể cũng như ứng dụng tia X trong việc nghiên cứu vật liệu. Cho đến ngày nay, phương pháp Laue vẫn được phát triển.