SÁCH - Các Phương Pháp Phân Tích Hóa Lý Vật Liệu (Trần Đại Lâm Cb)
20 thg 8, 2024 | 00:00

SÁCH - Các Phương Pháp Phân Tích Hóa Lý Vật Liệu (Trần Đại Lâm Cb)



Khoa học vật liệu là khoa học liên ngành, nghiên cứu về mối quan hệ giữa thành phần, cấu trúc, công nghệ xử lý, chế tạo và tính chất của vật liệu. Ở nước ta, nghiên cứu phát triển và ứng dụng công nghệ vật liệu mới (Chương trình KC 02) là một trong những chương trình khoa học và công nghệ trọng điểm cấp Nhà nước từ nhiều năm nay, với một số sản phẩm đã đạt được khá nổi bật như: chủng loại thép hợp kim, thép chịu nhiệt, hợp kim kim loại màu, một số ferô và thép sử dụng cho ngành cơ khí chế tạo, xây dựng, giao thông và phục vụ công nghiệp quốc phòng, vật liệu huỳnh quang, vật liệu tích trữ và biến đổi năng lượng, ôxit và kim loại đất hiếm có độ tinh khiết cao, vật liệu điện tử và quang tử, vật liệu nano (nano ôxit, nano sinh học…), vật liệu polyme, composite đặc biệt phục vụ cho một số lĩnh vực công nghiệp công nghệ cao và bảo vệ môi trường một cách bền vững. Song hành với những bước tiến có tính đột phá trong nghiên cứu chế tạo vật liệu mới thì các phương pháp hoá lý nghiên cứu đặc trưng vật liệu cũng có những bước tiến vô cùng mạnh mẽ.



NỘI DUNG:


PHẦN THỨ NHẤT - CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH QUANG PHỔ
Chương 1. Phổ hấp thụ hồng ngoại (IR)
Chương 2. Phổ tán xạ Raman
Chương 3. Phổ tử ngoại-khả kiến (UV-vis)
Chương 4. Phổ quang phát quang (PL)
Chương 5. Các phương pháp quang phổ nguyên tử (Atomic spectroscopy)
PHẦN THỨ HAI - PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH VẬT LIỆU BẰNG TIA X
Chương 6. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
Chương 7. Phổ huỳnh quang tia X (XRF)
Chương 8. Phổ quang điện tử tia X (XPS)
Chương 9. Phổ điện tử Auger (AuES)

PHẦN THỨ BA - CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH HÌNH THÁI VÀ BỀ MẶT RIÊNG
Chương 10. Phương pháp hiển vi điện tử
Chương 11. Phương pháp hiển vi quét đầu dò (SPM)
Chương 12. Phân tích kích thước hạt bằng tán xạ ánh sáng động (DLS)
Chương 13. Phân tích độ xốp của vật liệu
PHẦN THỨ TƯ - TÍNH CHẤT ĐIỆN VÀ TÍNH CHẤT TỪ CỦA VẬT LIỆU
Chương 14. Phân tích tính chất điện của vật liệu
Chương 15. Các phương pháp phân tích điện hoá
Chương 16. Phương pháp đo tính chất từ của vật liệu khối
Chương 17. Cộng hưởng từ hạt nhân (NMR)
Chương 18. Cộng hưởng thuận từ điện tử (EPR)
PHẦN THỨ NĂM - PHÂN TÍCH TÍNH CHẤT NHIỆT VÀ CƠ LÝ
Chương 19. Phương pháp phân tích nhiệt
Chương 20. Phân tích tính chất cơ lý của vật liệu
DANH MỤC HÌNH VẼ
DANH MỤC BẢNG
TÀI LIỆU THAM KHẢO



PHẦN THỨ NHẤT. CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH QUANG PHỔ

Sự tương tác của ánh sáng với môi trường vật chất có thể dẫn đến các hiện tượng vật lý như phản xạ, hấp thụ, tán xạ hay truyền qua và là cơ sở của các phương pháp phân tích quang phổ hiện đại. 
Dựa vào bản chất của hiện tượng vật lý xảy ra bên trong và bên ngoài vật chất khi có tương tác với ánh sáng, các phương pháp phân tích quang phổ khác nhau đã được phát triển và được chia thành ba nhóm chính gồm: 
i) quang phổ nguyên tử; ii) quang phổ phân tử và iii) quang phổ điện tử. 
Trong phần thứ nhất của giáo trình này, cơ sở lý thuyết, cấu tạo, nguyên lý hoạt động, kỹ thuật thực nghiệm của các phương pháp phân tích quang phổ sẽ được trình bày trong các Chương 1 đến Chương 5, trong đó:
- Quang phổ phân tử với hai kỹ thuật chính được trình bày trong Chương 1 (Phổ hồng ngoại) và Chương 2 (Phổ Raman).
- Quang phổ điện tử phổ biến với phổ hấp thụ/truyền qua (Chương 3) và Phổ quang phát quang (Chương 4).
- Quang phổ nguyên tử sẽ được trình bày trong Chương 5 với hai phương pháp chính là quang phổ hấp thụ nguyên tử và phát xạ nguyên tử.

PHẦN THỨ HAI. PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH VẬT LIỆU BẰNG TIA X

Phương pháp phân tích dùng tia X nghiên cứu cấu trúc vật chất là một trong các phương pháp phổ biến nhất để nghiên cứu và đánh giá về vật liệu. Có thể nói rằng, phương pháp tia X có tầm quan trọng tương đương đối với vật liệu vô cơ như là phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) đối với các hợp chất hữu cơ. Trong nội dung phần này các phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD), huỳnh quang tia X (XRF), quang phổ điện tử tia X (XPS) và phổ điện tử Auger (AuES) sẽ lần lượt được trình bày tại các Chương 6 đến Chương 9. Một số ví dụ ứng dụng cho các vật liệu điển hình cũng sẽ được trình bày tại phần này.


PHẦN THỨ BA. CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH HÌNH THÁI VÀ BỀ MẶT RIÊNG

Đánh giá hình thái học và bề mặt riêng của vật liệu sẽ cho một cái nhìn tổng quan, định tính và định lượng về đối tượng cần nghiên cứu. Với khả năng ghi ảnh ở độ phóng đại lớn và độ phân giải cao, các kỹ thuật hiển vi có thể cho phép quan sát vật liệu ở quy mô nguyên tử. Trong khi đó, phương pháp phân tích kích thước hạt và đánh giá bề mặt riêng của vật liệu sẽ cung cấp các thông tin định lượng về tính chất trên bề mặt lẫn bên trong các mao quản và vi mao quản. Trong nội dung phần thứ ba này, các phương pháp hiển vi điện tử (điện tử truyền qua và điện tử quét), phương pháp hiển vi đầu dò (xuyên hầm, nguyên tử lực, quang học quét trường gần), phương pháp xác định kích thước hạt bằng tán xạ ánh sáng động và phương pháp đánh giá bề mặt riêng vật liệu sẽ lần lượt được trình bày từ Chương 10 đến Chương 13. 


PHẦN THỨ TƯ. TÍNH CHẤT ĐIỆN VÀ TÍNH CHẤT TỪ CỦA VẬT LIỆU

Trong phần này, chúng ta sẽ xét các phương pháp đo tính chất điện và tính chất từ của vật liệu. Trong Chương 14, sẽ tập trung nghiên cứu về tính chất điện của vật liệu. Đối tượng vật liệu thứ nhất được đề cập ở phần này sẽ là vật liệu bán dẫn, một trong ba nhóm vật liệu cơ bản của chất rắn (gồm điện môi, bán dẫn và kim loại), vì vai trò đặc biệt quan trọng của chất bán dẫn trong công nghệ điện tử, công nghệ điện toán và nhiều lĩnh vực khoa học công nghệ khác. Các phương pháp đặc trưng cơ bản các tính chất điện của vật liệu hay linh kiện bán dẫn (diot Schottky, chuyển tiếp p-n, transistor…) nhằm xác định các thông số cơ bản như độ dẫn điện, nồng độ, độ linh động và thời gian sống của hạt tải. Các phương pháp chính là phương pháp đo điện trở bề mặt bằng 4 mũi dò và phương pháp đo đường đặc tuyến I-V sẽ là các nội dung được xét đến trong chương này.
Đối tượng vật liệu thứ hai là các polyme dẫn điện tử (Chương 15), là polyme có mạch chứa các liên kết đôi liên hợp, bao gồm các polyme liên hợp mạch thẳng (như polyaxetylen), các polyme liên hợp vòng thơm (như polyanilin) và các polyme dị vòng (như polypyrol)... Các polyme dẫn điện tử thể hiện tính dẫn gần giống kim loại và duy trì tính dẫn trên một vùng điện thế rộng. Các phương pháp điện hoá (nếu có phản ứng hoá học xảy ra dưới tác dụng của dòng điện lên vật liệu), với các kỹ thuật cơ bản là Von-Ampe (gần tương tự đặc tuyến I-V), tổng trở điện hóa… sẽ được trình bày. 
Phần các phương pháp đo tính chất từ, bao gồm: i) từ kế mẫu rung (VSM): nghiên cứu tính chất từ của cả khối vật liệu khi đặt trong từ trường ngoài (Chương 16); ii) cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) (Chương 17): nghiên cứu tính chất từ của các spin hạt nhân trong từ trường ngoài; iii) cộng hưởng từ điện tử (EPR): nghiên cứu tính chất từ của các spin điện tử (độc thân) trong từ trường ngoài (Chương 18). Ngoài ra, một biến thể của cộng hưởng từ hạt nhân là chụp ảnh cộng hưởng từ hạt nhân (MRI) cũng sẽ được đề cập. Đây đều là những phương pháp phân tích hoá lý rất hiệu quả trong nghiên cứu cấu trúc vật liệu vô cơ lẫn hữu cơ, các phân tử nhỏ và các hợp chất cao phân tử (polyme), các phức chất, các phân tử sinh học có cấu trúc phức tạp. Đặc biệt, phương pháp chụp ảnh cộng hưởng từ hạt nhân MRI đã trở thành một kỹ thuật y khoa an toàn, không gây ảnh hưởng phụ, là phương pháp chẩn đoán hình ảnh hiện đại, hiệu quả, được sử dụng phổ biến để kiểm tra hều hết các cơ quan trong cơ thể, đặc biệt trong chụp ảnh chi tiết não hoặc cột sống. 

PHẦN THỨ NĂM. PHÂN TÍCH TÍNH CHẤT NHIỆT VÀ CƠ LÝ

Khi các yếu tố khác nhau (ánh sáng, tia X, điện tử…) tác động lên vật liệu thì sẽ xuất hiện các tín hiệu phản hồi khác nhau. Các phương pháp phân tích hoạt động dựa trên sự biến đổi các tín hiệu phản hồi và đo lường các tín hiệu phản hồi đó. 
Sự thay đổi trạng thái vật lý của vật chất (quá trình nóng chảy, kết tinh, hoá hơi, thăng hoa, ngưng tụ…) thường kèm theo hiệu ứng nhiệt (tỏa nhiệt hay thu nhiệt). Ngoài ra, tùy vào bản chất hoá học của vật liệu, các phản ứng hoá học (kèm theo sự biến đổi thành phần và cấu trúc hoá học) có thể xảy ra. Bằng cách đo lường lượng nhiệt trao đổi giữa vật liệu khảo sát và môi trường, người ta sẽ thu nhận được các thông tin về các tính chất hoá lý, tính chất nhiệt động của vật liệu. Bên cạnh tính chất nhiệt, tính chất cơ lý là một trong những tính chất quan trọng của vật liệu cần được quan tâm nghiên cứu trước khi đưa vào sử dụng nhằm đưa ra các thông tin về sức bền của vật liệu ở các điều kiện khác nhau. 
Trong phần này, các phương pháp phân tích nhiệt và đánh giá cơ lý vật liệu sẽ được trình bày tương ứng trong các Chương 19 và Chương 20.






Khoa học vật liệu là khoa học liên ngành, nghiên cứu về mối quan hệ giữa thành phần, cấu trúc, công nghệ xử lý, chế tạo và tính chất của vật liệu. Ở nước ta, nghiên cứu phát triển và ứng dụng công nghệ vật liệu mới (Chương trình KC 02) là một trong những chương trình khoa học và công nghệ trọng điểm cấp Nhà nước từ nhiều năm nay, với một số sản phẩm đã đạt được khá nổi bật như: chủng loại thép hợp kim, thép chịu nhiệt, hợp kim kim loại màu, một số ferô và thép sử dụng cho ngành cơ khí chế tạo, xây dựng, giao thông và phục vụ công nghiệp quốc phòng, vật liệu huỳnh quang, vật liệu tích trữ và biến đổi năng lượng, ôxit và kim loại đất hiếm có độ tinh khiết cao, vật liệu điện tử và quang tử, vật liệu nano (nano ôxit, nano sinh học…), vật liệu polyme, composite đặc biệt phục vụ cho một số lĩnh vực công nghiệp công nghệ cao và bảo vệ môi trường một cách bền vững. Song hành với những bước tiến có tính đột phá trong nghiên cứu chế tạo vật liệu mới thì các phương pháp hoá lý nghiên cứu đặc trưng vật liệu cũng có những bước tiến vô cùng mạnh mẽ.



NỘI DUNG:


PHẦN THỨ NHẤT - CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH QUANG PHỔ
Chương 1. Phổ hấp thụ hồng ngoại (IR)
Chương 2. Phổ tán xạ Raman
Chương 3. Phổ tử ngoại-khả kiến (UV-vis)
Chương 4. Phổ quang phát quang (PL)
Chương 5. Các phương pháp quang phổ nguyên tử (Atomic spectroscopy)
PHẦN THỨ HAI - PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH VẬT LIỆU BẰNG TIA X
Chương 6. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
Chương 7. Phổ huỳnh quang tia X (XRF)
Chương 8. Phổ quang điện tử tia X (XPS)
Chương 9. Phổ điện tử Auger (AuES)

PHẦN THỨ BA - CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH HÌNH THÁI VÀ BỀ MẶT RIÊNG
Chương 10. Phương pháp hiển vi điện tử
Chương 11. Phương pháp hiển vi quét đầu dò (SPM)
Chương 12. Phân tích kích thước hạt bằng tán xạ ánh sáng động (DLS)
Chương 13. Phân tích độ xốp của vật liệu
PHẦN THỨ TƯ - TÍNH CHẤT ĐIỆN VÀ TÍNH CHẤT TỪ CỦA VẬT LIỆU
Chương 14. Phân tích tính chất điện của vật liệu
Chương 15. Các phương pháp phân tích điện hoá
Chương 16. Phương pháp đo tính chất từ của vật liệu khối
Chương 17. Cộng hưởng từ hạt nhân (NMR)
Chương 18. Cộng hưởng thuận từ điện tử (EPR)
PHẦN THỨ NĂM - PHÂN TÍCH TÍNH CHẤT NHIỆT VÀ CƠ LÝ
Chương 19. Phương pháp phân tích nhiệt
Chương 20. Phân tích tính chất cơ lý của vật liệu
DANH MỤC HÌNH VẼ
DANH MỤC BẢNG
TÀI LIỆU THAM KHẢO



PHẦN THỨ NHẤT. CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH QUANG PHỔ

Sự tương tác của ánh sáng với môi trường vật chất có thể dẫn đến các hiện tượng vật lý như phản xạ, hấp thụ, tán xạ hay truyền qua và là cơ sở của các phương pháp phân tích quang phổ hiện đại. 
Dựa vào bản chất của hiện tượng vật lý xảy ra bên trong và bên ngoài vật chất khi có tương tác với ánh sáng, các phương pháp phân tích quang phổ khác nhau đã được phát triển và được chia thành ba nhóm chính gồm: 
i) quang phổ nguyên tử; ii) quang phổ phân tử và iii) quang phổ điện tử. 
Trong phần thứ nhất của giáo trình này, cơ sở lý thuyết, cấu tạo, nguyên lý hoạt động, kỹ thuật thực nghiệm của các phương pháp phân tích quang phổ sẽ được trình bày trong các Chương 1 đến Chương 5, trong đó:
- Quang phổ phân tử với hai kỹ thuật chính được trình bày trong Chương 1 (Phổ hồng ngoại) và Chương 2 (Phổ Raman).
- Quang phổ điện tử phổ biến với phổ hấp thụ/truyền qua (Chương 3) và Phổ quang phát quang (Chương 4).
- Quang phổ nguyên tử sẽ được trình bày trong Chương 5 với hai phương pháp chính là quang phổ hấp thụ nguyên tử và phát xạ nguyên tử.

PHẦN THỨ HAI. PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH VẬT LIỆU BẰNG TIA X

Phương pháp phân tích dùng tia X nghiên cứu cấu trúc vật chất là một trong các phương pháp phổ biến nhất để nghiên cứu và đánh giá về vật liệu. Có thể nói rằng, phương pháp tia X có tầm quan trọng tương đương đối với vật liệu vô cơ như là phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) đối với các hợp chất hữu cơ. Trong nội dung phần này các phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD), huỳnh quang tia X (XRF), quang phổ điện tử tia X (XPS) và phổ điện tử Auger (AuES) sẽ lần lượt được trình bày tại các Chương 6 đến Chương 9. Một số ví dụ ứng dụng cho các vật liệu điển hình cũng sẽ được trình bày tại phần này.


PHẦN THỨ BA. CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH HÌNH THÁI VÀ BỀ MẶT RIÊNG

Đánh giá hình thái học và bề mặt riêng của vật liệu sẽ cho một cái nhìn tổng quan, định tính và định lượng về đối tượng cần nghiên cứu. Với khả năng ghi ảnh ở độ phóng đại lớn và độ phân giải cao, các kỹ thuật hiển vi có thể cho phép quan sát vật liệu ở quy mô nguyên tử. Trong khi đó, phương pháp phân tích kích thước hạt và đánh giá bề mặt riêng của vật liệu sẽ cung cấp các thông tin định lượng về tính chất trên bề mặt lẫn bên trong các mao quản và vi mao quản. Trong nội dung phần thứ ba này, các phương pháp hiển vi điện tử (điện tử truyền qua và điện tử quét), phương pháp hiển vi đầu dò (xuyên hầm, nguyên tử lực, quang học quét trường gần), phương pháp xác định kích thước hạt bằng tán xạ ánh sáng động và phương pháp đánh giá bề mặt riêng vật liệu sẽ lần lượt được trình bày từ Chương 10 đến Chương 13. 


PHẦN THỨ TƯ. TÍNH CHẤT ĐIỆN VÀ TÍNH CHẤT TỪ CỦA VẬT LIỆU

Trong phần này, chúng ta sẽ xét các phương pháp đo tính chất điện và tính chất từ của vật liệu. Trong Chương 14, sẽ tập trung nghiên cứu về tính chất điện của vật liệu. Đối tượng vật liệu thứ nhất được đề cập ở phần này sẽ là vật liệu bán dẫn, một trong ba nhóm vật liệu cơ bản của chất rắn (gồm điện môi, bán dẫn và kim loại), vì vai trò đặc biệt quan trọng của chất bán dẫn trong công nghệ điện tử, công nghệ điện toán và nhiều lĩnh vực khoa học công nghệ khác. Các phương pháp đặc trưng cơ bản các tính chất điện của vật liệu hay linh kiện bán dẫn (diot Schottky, chuyển tiếp p-n, transistor…) nhằm xác định các thông số cơ bản như độ dẫn điện, nồng độ, độ linh động và thời gian sống của hạt tải. Các phương pháp chính là phương pháp đo điện trở bề mặt bằng 4 mũi dò và phương pháp đo đường đặc tuyến I-V sẽ là các nội dung được xét đến trong chương này.
Đối tượng vật liệu thứ hai là các polyme dẫn điện tử (Chương 15), là polyme có mạch chứa các liên kết đôi liên hợp, bao gồm các polyme liên hợp mạch thẳng (như polyaxetylen), các polyme liên hợp vòng thơm (như polyanilin) và các polyme dị vòng (như polypyrol)... Các polyme dẫn điện tử thể hiện tính dẫn gần giống kim loại và duy trì tính dẫn trên một vùng điện thế rộng. Các phương pháp điện hoá (nếu có phản ứng hoá học xảy ra dưới tác dụng của dòng điện lên vật liệu), với các kỹ thuật cơ bản là Von-Ampe (gần tương tự đặc tuyến I-V), tổng trở điện hóa… sẽ được trình bày. 
Phần các phương pháp đo tính chất từ, bao gồm: i) từ kế mẫu rung (VSM): nghiên cứu tính chất từ của cả khối vật liệu khi đặt trong từ trường ngoài (Chương 16); ii) cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) (Chương 17): nghiên cứu tính chất từ của các spin hạt nhân trong từ trường ngoài; iii) cộng hưởng từ điện tử (EPR): nghiên cứu tính chất từ của các spin điện tử (độc thân) trong từ trường ngoài (Chương 18). Ngoài ra, một biến thể của cộng hưởng từ hạt nhân là chụp ảnh cộng hưởng từ hạt nhân (MRI) cũng sẽ được đề cập. Đây đều là những phương pháp phân tích hoá lý rất hiệu quả trong nghiên cứu cấu trúc vật liệu vô cơ lẫn hữu cơ, các phân tử nhỏ và các hợp chất cao phân tử (polyme), các phức chất, các phân tử sinh học có cấu trúc phức tạp. Đặc biệt, phương pháp chụp ảnh cộng hưởng từ hạt nhân MRI đã trở thành một kỹ thuật y khoa an toàn, không gây ảnh hưởng phụ, là phương pháp chẩn đoán hình ảnh hiện đại, hiệu quả, được sử dụng phổ biến để kiểm tra hều hết các cơ quan trong cơ thể, đặc biệt trong chụp ảnh chi tiết não hoặc cột sống. 

PHẦN THỨ NĂM. PHÂN TÍCH TÍNH CHẤT NHIỆT VÀ CƠ LÝ

Khi các yếu tố khác nhau (ánh sáng, tia X, điện tử…) tác động lên vật liệu thì sẽ xuất hiện các tín hiệu phản hồi khác nhau. Các phương pháp phân tích hoạt động dựa trên sự biến đổi các tín hiệu phản hồi và đo lường các tín hiệu phản hồi đó. 
Sự thay đổi trạng thái vật lý của vật chất (quá trình nóng chảy, kết tinh, hoá hơi, thăng hoa, ngưng tụ…) thường kèm theo hiệu ứng nhiệt (tỏa nhiệt hay thu nhiệt). Ngoài ra, tùy vào bản chất hoá học của vật liệu, các phản ứng hoá học (kèm theo sự biến đổi thành phần và cấu trúc hoá học) có thể xảy ra. Bằng cách đo lường lượng nhiệt trao đổi giữa vật liệu khảo sát và môi trường, người ta sẽ thu nhận được các thông tin về các tính chất hoá lý, tính chất nhiệt động của vật liệu. Bên cạnh tính chất nhiệt, tính chất cơ lý là một trong những tính chất quan trọng của vật liệu cần được quan tâm nghiên cứu trước khi đưa vào sử dụng nhằm đưa ra các thông tin về sức bền của vật liệu ở các điều kiện khác nhau. 
Trong phần này, các phương pháp phân tích nhiệt và đánh giá cơ lý vật liệu sẽ được trình bày tương ứng trong các Chương 19 và Chương 20.




M_tả
M_tả

Chuyên mục:

Không có nhận xét nào: