Luận án Nghiên cứu các tham số nhiệt động và các cumulant của một số vật liệu trong phương pháp XAFS phi điều hòa

 y [-3 ( 0 )2 (  0 ) [ 3 ]  
 Z0E 4 (1)(1)4 z z (1) z
 6 3 2 2
 3 10(0 )D 9(1 z ) 11 38 z 11 z
 y []3  
 4Z0E (1 z )
 6 3 2 2
 3 5(0 )D 9 18 z 9 z 11 38 z 11 z
 y []3  
 2Z0E (1 z )
 6 3 2
 3 5(0 )D (1 10 z z )
 y 3  
 Z0E (1 z )
 6 3 2
 3 5(0 )D (1 10 z z )
 y 2  
 E (1 z )
 Mặt khác từ (2.74) cùng với (2.31) đối với tinh thể cấu trúc fcc ta có:  
 2 EEE     2 2
 (0 ) 2 2  E 10D (  0 )  
 2E 2k eff 2(5 D ) 10 D 
 2
 với  () 0 là đóng góp điểm không vào cumulant bậc 2. 
 58 
 Thay vào biểu thức trên ta có:  
 6 3 2
 (3) 3 5(0 )D (1 10 z z )
  y 2 2 2                                                   
 10D (  0 ) (1 z )
 ( )4 (1 10z z 2 )
             (3) y 3 0                                            (2.80) 
 2 (1 z )2
Từ (2.63), (2.73), (2.80) ta có các biểu thức đối với cấu trúc fcc, tương tự với hcp:  
 (1)3 2 1 z (1)9 2 1 z
  a ()  0  a ()  0
 4 1 z 20 1 z
 (2) 2 (z 1) (2) 2 (z 1)
        fcc  ()  0                    hcp  ()  0  
 (1 z ) (1 z )
 4 2 4 2
 (3) (0 ) (1 10z z ) (3) 3(0 ) (1 10z z )
  2  2
 2 (1 z ) 10 (1 z )
2.4.2. Dẫn giải các cumulant thông qua cumulant bậc 2 trong mô hình Einstein 
tương quan phi điều hòa 
 Từ  mối  liên  hệ  giữa  biến  số  z  và  độ  dịch  chuyển  tương  đối  bình  phương 
trung bình đưa ra bởi Rabus[8,9] theo biểu thức sau: 
 2 2
  ()  0
 z 2 2                                                   (2.81) 
  ()  0
 Thay z vào biểu thức của cumulant bậc 3 ta được: 
 2 2 2 2 2 2 2
  ()()(()) 0   0   0
 4 (2 2 10 2 2 2 2 2 )
 (3) 3 ()0  ()()(()) 0   0   0
  y 2 2  
 2  ()  0 2
 (1 2 2 )
  ()  0
 2 2 2 2 2 2 2 2 2
 ( ( 0 ) 10(  (  0 ) )(  (  0 ) ) (  (  0 ) )
 4 2 2 2 )
 (3) ()0 [()]  0
           2 2 2 2      
 2  ()() 0   0 2
 []2 2
  ()  0
 2 2 2 2 2 2 2 2 2
 ( ( 0 ) 10(  (  0 ) )(  (  0 ) ) (  (  0 ) )
 4 2 2 2 )
 (3) ()0 [()]  0
  2 2 2 2 2  
 2 [()()] 0   0
 2 2 2
 [()]  0
 59 
 4 2 2 2 2 2 2 2 2 2
 (3) (0 ) [(  (  0 ) 10  10(  0 ) )(  (  0 ) ) (  (  0 ) ) ]
  4 )  
 2 4( 0 )
 4422 22 4422 4
 (3) ( 0 ) 11 11  ( 0 ) 9(  0 ) 9(  0 ) 2 ( 0 ) (  0 )
  4  
 2 4( 0 )
 4 4 4 4 4 4
 (3)(0 ) 12  8(  0 ) (  0 ) 3  2(  0 ) 2 2 2 2
  2 4 [3(  ) 2((  0 ) ) ] 
 2 4(0 ) 2 (  0 ) 2
Như vậy các cumulant bậc 1 và bậc 3 có thể biểu diễn qua cumulant bậc 2 như sau: 
 9 
 3 1 z 3 (1) (2)
 (1) 2 (2)  
  a () 0  20
 4 1 z 4 
 (2) 2
fcc (2) 2(z 1) 2  hcp    (2.82) 
  () 0 
 (1 z ) 3 
 (3) [3(  2 ) 2 2((  ) 2 ) 2 ]
 ( )4 (1 10z z 2 ) 0
 (3)0 2 2 2 2 10
  2 [3(  ) 2((  0 ) ) ]
 2 (1 z ) 2
 
 Ở  đây:  () 2 E  đối với vật liệu cấu trúc fcc và hcp. 
 0 10D 2
 Từ (2.82) ta thấy rằng, chỉ cần xác định được cumulant bậc 2, ta có thể xác 
định  được  các  cumulant  còn  lại  của  phổ  XAFS.  Điều  này  sẽ  được  áp  dụng  khi 
nghiên cứu sinh đo giá trị cumulant bậc hai từ thực nghiệm sẽ được trình bày trong 
chương 3. Tiếp theo ta xét tỷ số giữa các cumulant đối với cấu trúc fcc. Tương tự áp 
dụng đối với cấu  trúc hcp. 
 Biểu thức liên hệ giữa các cumulant được thể hiện qua hệ thức sau: 
 3 (2) 2
 (1)  2  
 4  
 (3) 
  [3(2 ) 2 2((  ) 2 ) 2 ]
 2 0
 (2) 2
 3 (2) 2 3  
 (1)  2  3  (2)  2 2
 4 4  
 (3) 2 2 2 2 2 2 2 2
 2 2 2 2 [3(  ) 2((  0 ) ) ] 4 [3(  ) 2((  0 ) ) ]
 [3( ) 2((  0 ) ) ]
 2 2
 3(2)  2 3  4 1
 2[3(2 ) 2 2((  ) 2 ) 2 ] 6  4 4(  ) 4 2 2
 0 0 4 ( 0 ) 
 2 2 
 3  
 60 
 (1)  2 1
 Vậy:                                                           (2.83) 
  (3) 2 2
 4 ( 0 ) 
 2 2 
 3  
 Như vậy, ngay cả tỷ số giữa các cumulant cũng liên hệ qua cumulant bậc 2. 
Tỷ số này dùng để đánh giá phương pháp nghiên cứu về mặt vật lý. Như chúng ta 
 () 2
thấy. Tỷ số này sẽ tiến đến giá trị ½ khi  0 tiến tới 0.  
  2
 Từ (2.82) và (2.83) ta có thể rút ra thêm số nhận xét sau: 
 + Biểu đồ phụ thuộc nhiệt độ của các cumulant đối với các vật liệu cấu trúc 
khác nhau có dạng như nhau. 
 + Khi biết nhiệt độ Einstein của vật liệu có cấu trúc cụ thể, ta có thể xác định 
độ  dịch  chuyển  tương  đối  bình  phương  trung  bình  cũng  như  các  cumulant  phổ 
XAFS của vật liệu đó ở một nhiệt độ xác định. 
 + Đồ thị tỷ số cumlant phổ XAFS của các vật liệu tiệm cận với giá trị ½ khi 
nhiệt độ tiến tới nhiệt độ chuyển pha của vật liệu. 
2.4.3. Tính hệ số giãn nở nhiệt của vật liệu trong mô hình Einstein tương quan 
phi điều hòa 
 Áp dụng đối với vật liệu cấu trúc fcc và tương tự đối với cấu trúc hcp: 
 a
 Xuất phát từ hệ số giãn nở mạng  a r r 1.  
 0 r
 Mặt khác:  a()() T a T0 da T rdT . Trong đó:  T là hệ số giãn nở nhiệt của 
 1 da
vật liệu. Ta có:  . Thay a từ (2.82) vào ta được: 
 T r dT
 1da 1 d 3 2 3 d 2 3 2 d 1 z 
   T   ()  0  
 r dT r dT 4 4 r dT 4 r dT 1 z 
 
 E
  2 
 E T
 T 3 (  0 )d 1 e 
  Thay  z e vào ta được:  T   
 E 
 4r dT T 
 1 e 
 61 
    
 EEEE   
 1 eTTTT .EE . e 1 e . . e 
 2 2 2 
 3 (  0 ) TT 
 T 
  2 
 4r E 
 1 e T 
 EEE  
 2(1 z )z (1 z )z 2 2z 2
 3 (  )2 2 3 (  ) 2 3 (  )  z
 0TTT 0 0 E 
 T 4r (1) z2 4(1) r z 2 2 r T 2 (1) z 2
 
 E E
 3 2 2 2
 10D kB z 3  ( E ) z
             T 2 2 2 2 2                         (2.84)           
 2r T (1 z ) 20 D rkB T (1 z )
 Từ (2.82) ta có: 
 2 2 2 2 2 2 2
 2 2 (1)(1)z z  (1)() z  (1) z () 
  (  0 ) 2 2 4 1 2 1 4  
 (1) z (1)() z0 (1) z ()  0 (1) z ()  0
 (1)z 2 ()12 2 2 z z 2 z 2 21() z  2 2 4 z ()  2 2
 1 2 1 4 2 1 4 2 1 4
 (1) z ()0 (1) z ()(1)  0 z ()  0
 z 1 ( 2 ) 2
 2 (1 4 )                                     (2.85) 
 (1 z ) 4 ( 0 )
 Mặt khác: 
 10D 2 (  ) 2
  0 (  )2 (10D 2 (  ) 2 ) 2                                (2.86) 
 EE 0
 Thay (2.85) và (2.86) vào (2.84) ta được: 
 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2
 3 (10DD ( 0 ) ) 1 (  ) 3 (5 (  0 ) ) (  )
                 T 2 2(1 4 ) 2 2 ( 4 1)  
 20D rkBB T 4 ( 0 ) 20 D rk T (  0 )
 Hay: 
 3 k (5 D222 ( ) ) (  ) 4 3 k .25 D 24422  ( ) ( ) ( ) 4 15 D  322 ( ) ( ) 4 
 BB0 0 0  
 T 2 2(1 2 2 ) 2 2 2 ( 2 2 ) 2 .
 20D r ( kBBB T ) (  ) 20 D rk T (  ) 4 rk T 
 3 3 2 2 4
 0 15D 0 9D 0 ()()  0 
 Đặt:  T với fcc và  T với hcp ta có:   TT 2 (2.87)                             
 4rkB 4rkB T 
 Như vậy, ta cũng có thể xác định hệ số giãn nở nhiệt thông qua cumulant bậc 
2 hay hệ số Debye-Waller của phổ XAFS. 
 62 
 Xem xét mối tương quan giữa cumulant bậc 2, hệ số giãn nở nhiệt và nhiệt 
độ cũng như cumulant bậc 3 phổ XAFS đối với cấu trúc fcc, ta thấy: 
 15D 3 (  2 ) 2 (  ) 4
 ()0 rT 2
 r.T  2 4rk T 2
 T B  
 (3) 
  [3(2 ) 2 2((  ) 2 ) 2 ]
 2 0
 2 2
 2 6 4 
 () 0 
 15D (  ) (  0 ) 
 (1 ) 1 2 
 22 2 2 2 2 2 2 2 2 2  
 T r.T 2kB T ( ) 15 D  ()(())15  0 D  (2.88) 
 (3) 2 2 2 2 .... 
 2 2 2
 [3(  ) 2((  0 ) ) ] 2kBB T2 2 2 2 2 k T 2 ( ) 
 ( ) ((  0 ) ) 0
 1 2 
 3 3  
 r.T  2 1
 Từ (2.88) ta thấy  T khi T  nghĩa là đối với nhiệt độ  T   các 
  (3) 2 E E
hiệu ứng phi điều hòa là đáng kể ta có thể áp dụng gần đúng cổ điển, còn khi T<E , 
hiệu ứng phi điều hòa nhỏ, ta phải áp dụng lý thuyết lượng tử. Đặc biệt tại giá trị 
  1 
nhiệt độ  T E  tỷ số ở biểu thức (2.88) tiệm cận với giá trị  , như vậy khi T<  E  
 2 2 2
ta phải lưu ý tới hiệu ứng phi điều hòa. 
2.4.4. Đánh giá kết quả tính cumulant bậc 2 của phổ XAFS sử dụng thế Morse và 
thế Stilinger-Weber trong mô hình Einstein tương quan phi điều hòa và phương 
pháp mô men với các kết quả khác đối với vật liệu bán dẫn cấu trúc kim cương 
 a) Áp dụng mô hình Einstein tương quan phi điều hòa sử dụng thế Morse 
 Từ mục (2.2) đã diễn giải các biểu thức tính tần số và nhiệt độ Einstein đối 
với vật liệu cấu trúc kim cương cũng như các tham số thế Morse và giá trị  r0  đối với 
 7 5
Si và Ge. Với   (y ) D 2 (ay y 3 ) , tương tự như cách dẫn giải đối với vật 
 E 3 12
liệu cấu trúc fcc và hcp, ta có thể rút ra các biểu thức của các tham số nhiệt động đối 
với vật liệu cấu trúc kim cương như sau: 
 + Biểu thức đối với các cumulant: 
 63 
 (1)5 2 1 z 5 (2)
  a () 0 
 4 1 z 4
 3
 (2) 2(z 1) 2 2 E
  ()   trong đó: () 0    (2.89)                
 0 14D 2
 (1 z )
 4 2
 (3)5(0 ) (1 10z z ) 5 2 2 2 2
  2 [3(  ) 2((  0 ) ) ]
 6 (1 z ) 6
 + Biểu thức đối với hệ số giãn nở nhiệt: 
 2 2 4 3
 0 ()()  0 0 35D 
 TT 2 với  T                                              (2.90) 
 T 12rkB
 + Biểu thức đối với hệ số phi điều hòa: 
 25 2 5 5 
 (T ) 2 (T)[3  2 (T)(3  2 (T)]                                      (2.91) 
 24 4RR 4
 + Biểu thức đối với thành phần phi điều hòa 
 2 2 2 2 2
 AHH(T)  (T)[  (T)  (T0 )]=  (T)[  (T)  0 ]                                 (2.92)  
 + Biểu thức đối với thành phần phi điều hòa của pha và biên độ phổ XAFS 
 2 2
 2k A ( T )
 FA (,) k T e                                                   (2.93) 
 1 1 4
 (k , T ) 2 k [ R 2 (T)( )]- k 3  (3) (T)                     (2.94) 
 A R  3
 b) Áp dụng mô hình Einstein tương quan phi điều hòa và phương pháp 
thống kê mô men sử dụng thế Stillinger-Weber 
 Từ các tham số thế Stillinger-Weber ta xác định được hàm thế tương tác hiệu 
dụng, do đó xác định được tần số và nhiệt độ Einstein thông qua đạo hàm của hàm 
thế tại  r0 . Từ đó xác định được cumulant bậc 2 phổ XAFS. 
 Sử dụng phần mềm Matlab 2014 để lập trình tính toán số đối với Si và Ge để 
biểu diễn sự phụ thuộc của cumulant bậc 2 phổ XAFS vào nhiệt độ được thể hiện 
trong hình 2.6 và 2.7 theo các biểu thức trong mục (1.2.3).  
 64 
Hình 2. 6:  Sự  phụ  thuộc  nhiệt  độ  của  Hình 2. 7:  Sự phụ thuộc nhiệt độ của 
cumulant  bậc  2  sử  dụng  thế  Stillinger- cumulant bậc 2 sử dụng thế Stillinger-
Weber  theo  phương  pháp  thống  kê  mô  Weber theo phương pháp thống kê mô 
men đối với Si.  men đối với Ge. 
 Từ đồ thị hình 2.6 và 2.7 chỉ ra sự phù hợp tốt của phương pháp thống kê mô 
men sử dụng để tính giá trị cumulant bậc 2 phổ XAFS đối với chất bán dẫn cấu trúc 
kim cương đối với Si và Ge. Đối với Si, kết quả được so sánh với giá trị đưa ra bởi 
M. Benfatto trong tài liệu[70] tại các nhiệt độ 80 K, 300 K và 500 K. Đối với Ge, các 
kết quả cho thấy sự phù hợp với các kết quả thực nghiệm đưa ra bởi A.E.Stern trong 
tài liệu[71] tại 300 K, của G. Dalba trong tài liệu[72] ở một vài giá trị nhiệt độ và với 
các  kết  quả  tính  toán  lý  thuyết  đưa  ra  bởi  J.J.Rehr  trong  tài  liệu[4]  khi  sử  dụng 
phương pháp LDA ở 300 K. Ngoài ra, nó còn rất phù hợp với kết quả thực nghiệm 
của A.Yoshiasa trong tài liệu[73] trong một số nhiệt độ cụ thể, ngay cả các kết quả 
được tính toán từ phương pháp GGA và hGGA đưa ra bởi J.J.Rehr ở 300 K trong 
tài liệu[4]. Các kết quả này đã được nhóm chúng tôi đăng trong tài liệu[19]. 
 Kết quả tính toán cumulant bậc 2 sử dụng thế Morse và thế Stillinger-Weber 
cho vật liệu cấu trúc kim cương là Si và Ge theo mô hình Einstein tương quan phi 
điều hòa đã được đánh giá và so sánh trong các tài liệu[18,24,25] cho thấy  mô hình 
Einstein tương quan phi điều hòa sử dụng hai thế trên phù hợp với các kết quả thực 
nghiệm cũng như các kết quả tính toán từ các phương pháp khác. Do đó, mô hình 
 65 
Einstein tương quan phi điều hòa có thể áp dụng đối với vật liệu bán dẫn cấu trúc 
kim cương khi sử dụng thế Morse và thế Stillinger-Weber. 
 Như vậy, mô hình Einstein tương quan phi điều hòa và phương pháp mô men 
đều có thể áp dụng tốt trong nghiên cứu cumulant bậc 2 phổ XAFS đối với cấu trúc 
kim cương (Si, Ge). Từ đó, cho chúng ta gợi ý rằng: Có thể sử dụng kết quả tính 
toán cumulant bậc 2 từ các phương pháp khác và dùng mô hình Einstein để tính các 
cumulant còn lại của phổ XAFS đối với một số vật liệu cấu trúc nhất định. 
2.5. Các hiệu ứng lượng tử ở giới hạn nhiệt độ thấp và gần đúng cổ điển ở nhiệt 
độ cao 
 Các biểu thức thu được đối với các tham số nhiệt động như đã trình bày ở 
trên xuất phát từ lý thuyết lượng tử nên có thể áp dụng cho mọi nhiệt độ, trong đó, ở 
nhiệt độ cao nó bao chứa các kết quả của gần đúng cổ điển. Ở nhiệt độ thấp, các 
hiệu ứng lượng tử thể hiện qua đóng góp của năng lượng điểm không.   
 - Trong giới hạn nhiệt độ thấp: 
 Khi T 0 , ta sử dụng gần đúng:  
 1 1 z
                         1 z 1 2 z                                       (2.95) 
 1 z 1 z
 Do trong giới hạn nhiệt độ thấp thì z 0, như vậy, ta có thể bỏ qua giá trị z2 
và các lũy thừa cao hơn. 
 - Trong giới hạn nhiệt độ cao: 
 Khi T  , ta sử dụng gần đúng:  ex 1 x .  
  E
 E 
  EBT Tk
 Ta có:  z e e e 1 EB / Tk   
 
 2 E
 1 zTk 2 Tk  2 Tk
 và  B BEB 1                                   (2.96) 
 
 1 z E EE  
 TkB
 Từ (2.95), (2.96) cũng như các biểu thức tính toán các tham số nhiệt động 
trong mục (2.4) ta có bảng tổng hợp sau: 
 66 
 Bảng 2. 3: Các tham số nhiệt động trong giới hạn nhiệt độ. 
Các đại lượng T 0 T 
 nhiệt động 
 (1) (1)
  a    0 (1 2z )   3k3 kB T / k eff  
 (2) 2
     0 (1 2z )   kB T / k eff  
 (3) (3) 2 3
     0 (1 12z )   6k3 ( kB T ) / k eff  
 0 2
 T   T z(ln z ) (1 2 z )   3k3 / k B r  
 (1)  2 (1)  2(1 2z ) 2 3(1 2 z ) 2 3 1
   0 0    
 (3) (3) 2
   0 (1 12z ) 2(1 12 z ) 2
 r.T  2 r.T  2 1 1
 T   T 3z ln 0    
  (3)  (3) z 2
 Kết luận chương 2: 
1. Nền tảng của mô hình Einstein tương quan phi điều hòa là sử dụng thế hiệu 
 dụng làm thế tương tác giữa các nguyên tử. Coi các phi điều hòa là các tương 
 tác  giữa  phonon-phonon  và  bỏ  qua  sự  tán  sắc  của  các  phonon.  Từ  đó,  sử 
 dụng phương pháp thống kê lượng tử để xác định các tham số nhiệt động phổ 
 XAFS. 
2. Các cumulant phổ XAFS trong mô hình Einstein tương quan phi điều hòa có 
 thể được dẫn giải gần đúng thông qua cumulant bậc hai hay hệ số Debye-
 Waller của phổ XAFS bằng các biểu thức giải tích. 
3. Hệ số dẫn nhiệt  T cũng như tần số E  và nhiệt độ EinsteinE  đều có thể xác 
 định thông qua cumulant bậc 2.  
4. Tỷ số giữa các cumulnat và tỷ số giữa hệ số dẫn nhiệt  T và các cumulant sẽ 
 tiến tới giá trị ½ khi nhiệt độ tiến đến nhiệt độ chuyển pha của vật liệu. 
 67 
CHƯƠNG 3. HỆ ĐO THỰC NGHIỆM VÀ ÁP DỤNG MÔ HÌNH EINSTEIN 
 TƯƠNG QUAN PHI ĐIỀU HÒA TRONG NGHIÊN CỨU CÁC THAM SỐ 
 NHIỆT ĐỘNG PHỔ XAFS VẬT LIỆU CẤU TRÚC HCP VÀ FCC 
3.1. Hệ thống bức xạ synchrotron và hệ đo phổ XAFS 
 Bức xạ synchrotron: là tên của bức xạ được phát ra từ hệ gia tốc synchrotron 
được  phát  minh  bởi  Oliphant  năm  1943[74],  hệ  gia  tốc  này  được  mô  tả  như  sau: 
“Các hạt bị khống chế chuyển động trong một vòng tròn có bán kính không đổi, do 
đó có thể sử dụng một vòng từ trường hình khuyên ..., chuyển động của các hạt sẽ 
được thay đổi trong khi bán kính cong không đổi bằng cách tăng năng lượng của 
các hạt thông qua các gia tốc liên tiếp khi sử dụng một điện trường xen kẽ giữa các 
điện cực rỗng đồng trục”.  Đó  chính  là  nguyên  lý  cơ  bản  của  một  hệ  gia  tốc 
synchrotron. Bức xạ synchrotron xuất hiện thông qua các đường vòng tích lũy. Bức 
xạ synchrotron được phát ra khi các hạt tích điện như điện tử hay positron chuyển 
động theo các đường vòng tròn trong một từ trường với vận tốc gần bằng tốc độ ánh 
sáng.  
 Một số đặc tính của bức xạ synchrotron: 
 - Độ sáng cao:  Bức  xạ  synchrotron  có  cường  độ  cực  mạnh  (cường  độ  gấp 
 hàng trăm nghìn lần so với chùm tia X từ các ống tia X thông thường) và  độ 
 chuẩn trực  rất cao. 
 - Phổ năng lượng rộng: Bức xạ synchrotron được phát ra với các năng lượng 
 khác nhau, từ vùng phổ hồng ngoại (với năng lượng photon từ một vài meV, 
 bước sóng cỡ 106 Å) đến tia X cứng (với năng lượng photon từ trên 100 keV, 
 bước sóng cỡ 10-3 Å). 
 - Điều chỉnh: có thể thu được chùm bức xạ tại bất kỳ bước sóng đã chọn nào. 
 - Phân cực cao: bức xạ phân cực cao, có thể là tuyến tính, tròn hoặc elip. 
 - Phát ra trong các xung rất ngắn: các xung phát ra thường  nhỏ  hơn nano 
 giây (một phần tỷ giây), cho phép các nghiên cứu về phân giải thời gian. 
 68 
3.1.1. Khái quát chung về hệ đo phổ XAFS 
 Hầu  hết  các  hệ  đo  phổ  hấp  thụ  tia  X  được  thực  hiện  trên  nguồn  bức  xạ 
synchrotron tạo tia X có cường độ mạnh và phổ năng lượng là phổ liên tục. Hình 
3.1 mô tả mô hình một hệ bức xạ synchrotron hiện đại. Các điện tử được tạo ra từ 
nguồn phát điện tử (1) được gia tốc thẳng (2) trước khi năng lượng của chúng được 
tích luỹ và mạnh lên trong vòng gia tốc hay vòng tích luỹ (3). Từ vòng gia tốc điện 
tử được chuyển lên vòng lưu trữ năng lượng (4). Tại đây, điện tử chuyển động hàng 
triệu lần trên 1 giây. Do hạt tích điện (điện tử, positron hay proton) chuyển động 
trong trường từ nó gây ra sự thay đổi hướng chuyển động của nó do đó phát ra bức 
xạ  điện  từ,  bức  xạ  điện  từ  trong  trường  hợp  này  gọi  là  bức  xạ  synchrotron.  Các 
chùm bức xạ điện từ hay chùm tia ra (5) được sử dụng tùy thuộc vào các mục đích 
thí nghiệm cụ thể (6).  
 Hình 3.1: Mô hình một hệ synchrotron hiện đại [75]. 
 Trong hệ synchrotron, các điện tử được chuyển động và được định hướng bởi 
các nam châm cong. Các bức xạ được tạo ra được đặc trưng bởi phổ năng lượng 
liên tục trong vùng bước sóng rộng (từ hồng ngoại tới vùng tia X cứng), cường độ 
mạnh, độ phân cực mạnh và là một xung tự nhiên. Ngoài ra, người ta còn thêm các 
thiết bị phụ trợ khác nhằm làm tăng biên độ chùm tia hay để tạo ra các bức xạ kết 
hợp hay không kết hợp tuỳ theo từng mục đích nghiên cứu cụ thể. 
 Mỗi một đầu ra (beamline) của chùm tia, tùy theo mục đích thí nghiệm sẽ có 
cấu hình khác nhau. Hình 3.2 mô tả thành phần của một beamline phổ hấp thụ tia X. 
Các gương được sử dụng để tạo các tia song song và hội tụ chùm tia. Lỗ và khe ra 
 69 
để xác định kích thước chùm tia. Tinh thể đơn sắc kép để chọn lọc các tia X có dải 
năng lượng hẹp thoả mãn điều kiện nhiễu xạ Bragg.   
 Hình 3.2: Cấu hình một đầu ra đo phổ hấp thụ tia X hiện đại[75]. 
 Trong thực nghiệm đo phổ hấp thụ tia X, hệ số hấp thụ có thể được xác định 
theo 3 cách khác nhau: Đo cường độ chùm tia tới và cường độ chùm tia truyền qua 
mẫu (gọi là chế độ đo truyền qua, TM); đo cường độ chùm tia tới và cường độ tai X 
huỳnh quang (gọi là chế độ đo huỳnh quang, FM) và đo cường độ chùm tia tới và 
các điện tử Auger (gọi là chế độ đo trường điện tử).  
 TM FM 
 Trường điện từ 
 Các kết quả thực nghiệm trong nghiên cứu được tiến hành tại Viện nghiên 
cứu bức xạ synchrotron Thái Lan (SLRI, hình 3.3). Năng lượng chùm điện tử 1,2 
GeV. Hệ thống được chia thành 8 đầu ra. Từ đầu ra số 1 đến đầu ra số 8. (Hình 3.4). 
 70 
 Hình 3.3: Các hệ synchrotron trên thế giới. 
 Hình 3.4: Hệ synchrotron Thái lan (SLRI)[76]. 
 71 
Thông số nguồn phát: 
 Vùng năng  Kích thước tối  Độ phân giải 
 Nguồn tia X  Thông lượng 
 lượng  đa của chùm tia  năng lượng 
Nam châm cong  1.25 keV-10  10 mm(h) x 1  108-1010 
 10-4-3.10-4 
(1.44T, 1.2 GeV)  keV  mm(v)  phs/s/100mA 
 Quá trình đo mẫu được tiến hành tại đầu ra số 8. Hình 3.5 là hệ đo tại đầu ra 
số 8. Chế độ đo mẫu được sử dụng là chế độ đo truyền qua (TM).  
 Hình 3.5: Hệ thí nghiệm đầu ra số 8. Viện SLRI. 
 Hình 3.6: Sơ đồ hệ thống đầu ra số 8. Viện nghiên cứu bức xạ synchrotron [76,77]. 
 72 
 Hình 3.7 là hệ thí nghiệm sau khi được lắp đặt thêm bộ gia nhiệt tự động, dải 
nhiệt độ từ 300 K đến 600 K đã được cài đặt chương trình thay đổi và giữ nhiệt độ 
theo yêu cầu đo (sơ đồ gia nhiệt thể hiện trong hình 2.9). Môi trường gia nhiệt tại 
điều kiện thường. Việc xem xét khả năng ảnh hưởng của quá trình oxy hóa được đề 
cập trong mục 3.5 
 Vật liệu tiến hành thí nghiệm là phoi đồng Cu tinh khiết 99.9% (CU-113091, 
Nilaco  Corparation-  Nhật  bản)  và  phoi  kẽm  Zn  tinh  khiết  99.95%,  0.015  mm 
(ZN000180, Goodfellow-Anh). Qui trình tiến hành đo phổ theo tài liệu[77].   
 Hình 3.7: Hệ thí nghiệm đo phổ XAFS phụ thuộc nhiệt độ. 
3.1.2. Quá trình chuẩn bị mẫu đo thực nghiệm phổ XAFS phụ thuộc nhiệt