Karakterisasi Material Spektroskopis

Karakterisasi material spektroskopis menggunakan interaksi cahaya, sinar-X, dan partikel dengan suatu material untuk menentukan komposisi, keadaan kimia, dan ikatan, melengkapi gambaran struktural dari difraksi dan mikroskopi.

Definition

Karakterisasi material spektroskopis adalah penentuan komposisi unsur, keadaan kimia, dan ikatan suatu material dengan mengukur bagaimana material tersebut menyerap, memancarkan, atau menghamburkan foton atau bagaimana material tersebut melepaskan elektron di bawah eksitasi, di seluruh wilayah spektrum elektromagnetik yang relevan.

Scope

Topik ini mencakup metode spektroskopis yang digunakan untuk menganalisis material: spektroskopi vibrasi (inframerah dan Raman) yang mengidentifikasi ikatan dan fasa; spektroskopi fotoelektron sinar-X dan Auger yang melaporkan komposisi permukaan dan keadaan oksidasi; serta absorpsi sinar-X dan metode lain yang menyelidiki struktur lokal dan keadaan elektronik. Ini membahas apa yang diukur oleh setiap teknik, sensitivitas permukaan atau massanya, dan bagaimana data spektroskopis mengidentifikasi spesies kimia dan lingkungan ikatan.

Core questions

• Bagaimana spektrum vibrasi mengungkapkan ikatan dan mengidentifikasi fasa?
• Bagaimana metode fotoelektron dan Auger memberikan komposisi permukaan dan keadaan oksidasi?
• Bagaimana absorpsi sinar-X menyelidiki struktur lokal dan keadaan elektronik?
• Bagaimana metode sensitif permukaan dan massa dipilih dan digabungkan?

Key concepts

• Spektroskopi inframerah dan Raman
• Spektroskopi fotoelektron sinar-X
• Spektroskopi elektron Auger
• Spektroskopi absorpsi sinar-X
• Sensitivitas permukaan versus massa
• Keadaan kimia dan ikatan

Key theories

Sidik jari vibrasi

Absorpsi inframerah dan hamburan Raman mengukur frekuensi vibrasi ikatan, yang bergantung pada atom dan ikatannya; spektrum yang dihasilkan berfungsi sebagai sidik jari yang mengidentifikasi gugus fungsional, fasa, dan perubahan struktural dalam suatu material.

Spektroskopi fotoelektron dan keadaan kimia

Spektroskopi fotoelektron sinar-X mengukur energi ikatan elektron inti yang dikeluarkan dari permukaan; energi ini bergeser dengan keadaan oksidasi dan lingkungan ikatan, sehingga teknik ini melaporkan baik unsur-unsur yang ada maupun keadaan kimianya di lapisan atom terluar.

Mechanisms

Foton inframerah diserap dan foton Raman dihamburkan secara inelastis pada energi yang ditentukan oleh vibrasi ikatan; sinar-X mengeluarkan elektron inti yang energi ikatnya, bergeser oleh lingkungan kimia, diukur dalam spektroskopi fotoelektron; dan penyetelan energi sinar-X melintasi tepi absorpsi menyelidiki koordinasi lokal dan keadaan elektronik dari unsur yang dipilih.

Clinical relevance

Metode spektroskopis mengidentifikasi spesies kimia, keadaan oksidasi, dan ikatan dalam material, mendiagnosis komposisi dan kontaminasi permukaan, dan mengikuti perubahan kimia selama sintesis, katalisis, dan degradasi, menyediakan informasi keadaan kimia yang tidak dapat diberikan oleh teknik struktural saja.

History

Penemuan hamburan cahaya inelastis oleh Raman pada tahun 1928 dan kematangan spektroskopi inframerah memberikan sidik jari vibrasi material kepada para kimiawan. Pengembangan spektroskopi fotoelektron sinar-X resolusi tinggi oleh Siegbahn pada tahun 1950-an dan 1960-an, yang diakui dengan Hadiah Nobel 1981, menambahkan komposisi permukaan kuantitatif dan analisis keadaan kimia, melengkapi perangkat spektroskopis untuk material.

Key figures

• Kai Siegbahn
• Chandrasekhara Venkata Raman

Seminal works

• leng2013
• vickerman2009

Frequently asked questions

Mengapa menggunakan spektroskopi jika difraksi sudah memberikan struktur?

Difraksi mengungkapkan struktur periodik rata-rata tetapi sedikit berbicara tentang keadaan kimia, ikatan, atau spesies amorf dan permukaan. Spektroskopi melaporkan keadaan oksidasi, gugus fungsional, dan ikatan lokal, sehingga kedua pendekatan ini bersama-sama memberikan deskripsi yang jauh lebih lengkap daripada salah satunya saja.

Apa yang membuat spektroskopi fotoelektron sinar-X sensitif terhadap permukaan?

Meskipun sinar-X menembus jauh ke dalam sampel, fotoelektron yang dikeluarkannya hanya dapat keluar dari beberapa nanometer terluar sebelum diserap kembali. Karena hanya elektron dari wilayah dekat permukaan yang tipis ini yang mencapai detektor, teknik ini melaporkan komposisi dan keadaan kimia permukaan.