Caractérisation spectroscopique des matériaux

La caractérisation spectroscopique des matériaux utilise l'interaction de la lumière, des rayons X et des particules avec un matériau pour déterminer sa composition, son état chimique et ses liaisons, complétant ainsi l'image structurelle obtenue par diffraction et microscopie.

Definition

La caractérisation spectroscopique des matériaux est la détermination de la composition élémentaire, de l'état chimique et des liaisons d'un matériau en mesurant comment il absorbe, émet ou diffuse des photons, ou comment il libère des électrons sous excitation, à travers les régions pertinentes du spectre électromagnétique.

Scope

Ce sujet couvre les méthodes spectroscopiques utilisées pour analyser les matériaux : les spectroscopies vibrationnelles (infrarouge et Raman) qui caractérisent les liaisons et les phases ; les spectroscopies de photoélectrons X et Auger qui renseignent sur la composition de surface et l'état d'oxydation ; et l'absorption des rayons X ainsi que d'autres méthodes qui sondent la structure locale et l'état électronique. Il aborde ce que chaque technique mesure, sa sensibilité de surface ou de volume, et comment les données spectroscopiques identifient les espèces chimiques et les environnements de liaison.

Core questions

• Comment les spectres vibrationnels révèlent-ils les liaisons et identifient-ils les phases ?
• Comment les méthodes de photoélectrons et Auger fournissent-elles la composition de surface et l'état d'oxydation ?
• Comment l'absorption des rayons X sonde-t-elle la structure locale et l'état électronique ?
• Comment les méthodes sensibles à la surface et les méthodes de volume sont-elles choisies et combinées ?

Key concepts

• Spectroscopie infrarouge et Raman
• Spectroscopie de photoélectrons X
• Spectroscopie d'électrons Auger
• Spectroscopie d'absorption des rayons X
• Sensibilité de surface versus de volume
• État chimique et liaisons

Key theories

Empreinte vibrationnelle

L'absorption infrarouge et la diffusion Raman mesurent les fréquences vibrationnelles des liaisons, qui dépendent des atomes et de leur mode de liaison ; les spectres résultants agissent comme des empreintes digitales qui identifient les groupes fonctionnels, les phases et les changements structurels dans un matériau.

Spectroscopie de photoélectrons et état chimique

La spectroscopie de photoélectrons X mesure les énergies de liaison des électrons de cœur éjectés d'une surface ; ces énergies se décalent avec l'état d'oxydation et l'environnement de liaison, de sorte que la technique renseigne à la fois sur les éléments présents et sur leur état chimique dans les couches atomiques les plus externes.

Mechanisms

Les photons infrarouges sont absorbés et les photons Raman sont diffusés de manière inélastique à des énergies déterminées par les vibrations des liaisons ; les rayons X éjectent des électrons de cœur dont les énergies de liaison, décalées par l'environnement chimique, sont mesurées en spectroscopie de photoélectrons ; et l'ajustement de l'énergie des rayons X à travers les seuils d'absorption permet de sonder la coordination locale et l'état électronique d'un élément choisi.

Clinical relevance

Les méthodes spectroscopiques identifient les espèces chimiques, les états d'oxydation et les liaisons dans les matériaux, diagnostiquent la composition et la contamination de surface, et suivent les changements chimiques lors de la synthèse, de la catalyse et de la dégradation, fournissant ainsi les informations sur l'état chimique que les techniques structurelles seules ne peuvent pas apporter.

History

La découverte par Raman en 1928 de la diffusion inélastique de la lumière et la maturation de la spectroscopie infrarouge ont fourni aux chimistes des empreintes vibrationnelles des matériaux. Le développement par Siegbahn de la spectroscopie de photoélectrons X à haute résolution dans les années 1950 et 1960, reconnue par le prix Nobel en 1981, a ajouté l'analyse quantitative de la composition de surface et de l'état chimique, complétant ainsi la panoplie d'outils spectroscopiques pour les matériaux.

Key figures

• Kai Siegbahn
• Chandrasekhara Venkata Raman

Seminal works

• leng2013
• vickerman2009

Frequently asked questions

Pourquoi utiliser la spectroscopie si la diffraction donne déjà la structure ?

La diffraction révèle la structure périodique moyenne mais donne peu d'informations sur l'état chimique, les liaisons, ou les espèces amorphes et de surface. La spectroscopie renseigne sur les états d'oxydation, les groupes fonctionnels et les liaisons locales, de sorte que les deux approches combinées offrent une description bien plus complète que l'une ou l'autre seule.

Qu'est-ce qui rend la spectroscopie de photoélectrons X sensible à la surface ?

Bien que les rayons X pénètrent profondément dans un échantillon, les photoélectrons qu'ils éjectent ne peuvent s'échapper que des quelques nanomètres les plus externes avant d'être réabsorbés. Étant donné que seuls les électrons de cette mince région proche de la surface atteignent le détecteur, la technique renseigne sur la composition et l'état chimique de la surface.