Spektroskopische Materialcharakterisierung

Die spektroskopische Materialcharakterisierung nutzt die Wechselwirkung von Licht, Röntgenstrahlen und Partikeln mit einem Material, um dessen Zusammensetzung, chemischen Zustand und Bindung zu bestimmen, und ergänzt so das strukturelle Bild, das durch Beugung und Mikroskopie gewonnen wird.

Definition

Die spektroskopische Materialcharakterisierung ist die Bestimmung der elementaren Zusammensetzung, des chemischen Zustands und der Bindung eines Materials durch Messung, wie es Photonen absorbiert, emittiert oder streut oder wie es unter Anregung Elektronen freisetzt, über die relevanten Bereiche des elektromagnetischen Spektrums hinweg.

Scope

Dieses Thema behandelt die spektroskopischen Methoden zur Analyse von Materialien: Schwingungsspektroskopien (Infrarot und Raman), die Bindungen und Phasen charakterisieren; Röntgenphotoelektronen- und Auger-Spektroskopien, die Auskunft über Oberflächenzusammensetzung und Oxidationszustand geben; sowie Röntgenabsorptions- und andere Methoden, die die lokale Struktur und den elektronischen Zustand untersuchen. Es wird erläutert, was jede Technik misst, ihre Oberflächen- oder Volumensensitivität und wie spektroskopische Daten chemische Spezies und Bindungsumgebungen identifizieren.

Core questions

• Wie offenbaren Schwingungsspektren Bindungen und identifizieren Phasen?
• Wie liefern Photoelektronen- und Auger-Methoden Informationen über die Oberflächenzusammensetzung und den Oxidationszustand?
• Wie untersucht die Röntgenabsorption die lokale Struktur und den elektronischen Zustand?
• Wie werden oberflächensensitive und Volumenmethoden ausgewählt und kombiniert?

Key concepts

• Infrarot- und Raman-Spektroskopie
• Röntgenphotoelektronenspektroskopie
• Auger-Elektronenspektroskopie
• Röntgenabsorptionsspektroskopie
• Oberflächen- versus Volumensensitivität
• Chemischer Zustand und Bindung

Key theories

Schwingungs-Fingerprinting

Infrarotabsorption und Raman-Streuung messen die Schwingungsfrequenzen von Bindungen, die von den Atomen und ihrer Bindung abhängen; die resultierenden Spektren dienen als Fingerabdrücke, die funktionelle Gruppen, Phasen und strukturelle Veränderungen in einem Material identifizieren.

Photoelektronenspektroskopie und chemischer Zustand

Die Röntgenphotoelektronenspektroskopie misst die Bindungsenergien von Rumpfelektronen, die von einer Oberfläche emittiert werden; diese Energien verschieben sich mit dem Oxidationszustand und der Bindungsumgebung, sodass die Technik sowohl die vorhandenen Elemente als auch deren chemischen Zustand in den äußersten Atomlagen erfasst.

Mechanisms

Infrarotphotonen werden absorbiert und Raman-Photonen inelastisch gestreut bei Energien, die durch Bindungsschwingungen festgelegt sind; Röntgenstrahlen emittieren Rumpfelektronen, deren Bindungsenergien, verschoben durch die chemische Umgebung, in der Photoelektronenspektroskopie gemessen werden; und die Abstimmung der Röntgenenergie über Absorptionskanten hinweg untersucht die lokale Koordination und den elektronischen Zustand eines ausgewählten Elements.

Clinical relevance

Spektroskopische Methoden identifizieren chemische Spezies, Oxidationszustände und Bindungen in Materialien, diagnostizieren Oberflächenzusammensetzung und Kontamination und verfolgen chemische Veränderungen während Synthese, Katalyse und Degradation, wodurch Informationen über den chemischen Zustand geliefert werden, die strukturelle Techniken allein nicht bereitstellen können.

History

Ramans Entdeckung der inelastischen Lichtstreuung im Jahr 1928 und die Weiterentwicklung der Infrarotspektroskopie lieferten Chemikern Schwingungs-Fingerabdrücke von Materialien. Siegbahns Entwicklung der hochauflösenden Röntgenphotoelektronenspektroskopie in den 1950er und 1960er Jahren, die 1981 mit dem Nobelpreis gewürdigt wurde, ergänzte die quantitative Oberflächenzusammensetzungs- und chemische Zustandsanalyse und vervollständigte so das spektroskopische Instrumentarium für Materialien.

Key figures

• Kai Siegbahn
• Chandrasekhara Venkata Raman

Seminal works

• leng2013
• vickerman2009

Frequently asked questions

Warum Spektroskopie verwenden, wenn die Beugung bereits die Struktur liefert?

Die Beugung offenbart die durchschnittliche periodische Struktur, sagt aber wenig über den chemischen Zustand, die Bindung oder amorphe und Oberflächenspezies aus. Die Spektroskopie liefert Oxidationszustände, funktionelle Gruppen und lokale Bindungen, sodass die beiden Ansätze zusammen eine wesentlich vollständigere Beschreibung ergeben als jeder für sich allein.

Was macht die Röntgenphotoelektronenspektroskopie oberflächensensitiv?

Obwohl Röntgenstrahlen tief in eine Probe eindringen, können die von ihnen emittierten Photoelektronen nur aus den äußersten wenigen Nanometern entweichen, bevor sie reabsorbiert werden. Da nur Elektronen aus diesem dünnen oberflächennahen Bereich den Detektor erreichen, gibt die Technik Auskunft über die Zusammensetzung und den chemischen Zustand der Oberfläche.