分光法による材料特性評価

分光法による材料特性評価は、光、X線、粒子と材料との相互作用を利用して、材料の組成、化学状態、結合を決定するものであり、回折法や顕微鏡法による構造解析を補完するものです。

Definition

分光法による材料特性評価とは、材料が光子を吸収、放出、または散乱する方法、あるいは励起下で電子を放出する方法を、電磁スペクトルの関連領域にわたって測定することにより、材料の元素組成、化学状態、および結合を決定することです。

Scope

このトピックでは、材料分析に用いられる分光法について扱います。具体的には、結合や相のフィンガープリントとなる振動分光法（赤外分光法およびラマン分光法）、表面組成と酸化状態を報告するX線光電子分光法およびオージェ分光法、局所構造と電子状態を調べるX線吸収分光法およびその他の手法が含まれます。各手法が何を測定するのか、その表面またはバルク感度、そして分光データが化学種と結合環境をどのように識別するかについて論じます。

Core questions

• 振動スペクトルはどのように結合を明らかにし、相を識別するのでしょうか？
• 光電子法とオージェ法はどのように表面組成と酸化状態を与えるのでしょうか？
• X線吸収はどのように局所構造と電子状態を調べるのでしょうか？
• 表面敏感な手法とバルク手法はどのように選択され、組み合わされるのでしょうか？

Key concepts

• 赤外分光法とラマン分光法
• X線光電子分光法
• オージェ電子分光法
• X線吸収分光法
• 表面感度とバルク感度
• 化学状態と結合

Key theories

振動フィンガープリンティング

赤外吸収とラマン散乱は、原子とその結合に依存する結合の振動周波数を測定します。得られるスペクトルは、材料中の官能基、相、および構造変化を識別するフィンガープリントとして機能します。

光電子分光法と化学状態

X線光電子分光法は、表面から放出されるコア電子の結合エネルギーを測定します。これらのエネルギーは酸化状態と結合環境によってシフトするため、この手法は存在する元素とその最外層原子層における化学状態の両方を報告します。

Mechanisms

赤外光子は結合振動によって設定されたエネルギーで吸収され、ラマン光子は非弾性散乱されます。X線は、化学環境によってシフトする結合エネルギーを持つコア電子を放出し、これは光電子分光法で測定されます。また、吸収端を横切るX線エネルギーを調整することで、選択された元素の局所配位と電子状態を調べることができます。

Clinical relevance

分光法は、材料中の化学種、酸化状態、結合を特定し、表面組成や汚染を診断し、合成、触媒作用、劣化中の化学変化を追跡することで、構造解析技術だけでは提供できない化学状態情報を提供します。

History

ラマンによる1928年の非弾性光散乱の発見と赤外分光法の成熟は、化学者に材料の振動フィンガープリントをもたらしました。シーグバーンによる1950年代から1960年代の高分解能X線光電子分光法の開発は、1981年のノーベル賞で認められ、定量的な表面組成と化学状態分析を加え、材料のための分光分析ツールキットを完成させました。

Key figures

• Kai Siegbahn
• Chandrasekhara Venkata Raman

Seminal works

• leng2013
• vickerman2009

Frequently asked questions

回折法がすでに構造を与えるのに、なぜ分光法を使用するのですか？

回折法は平均的な周期的構造を明らかにしますが、化学状態、結合、アモルファス種、表面種についてはほとんど情報を提供しません。分光法は酸化状態、官能基、局所結合を報告するため、これら2つのアプローチを組み合わせることで、どちらか一方だけよりもはるかに完全な記述が得られます。

X線光電子分光法が表面敏感であるのはなぜですか？

X線は試料の深部まで浸透しますが、放出された光電子は、再吸収される前に最外側の数ナノメートルからしか脱出できません。この薄い表面近傍領域からの電子のみが検出器に到達するため、この手法は表面の組成と化学状態を報告します。