Caracterização Espectroscópica de Materiais

A caracterização espectroscópica de materiais utiliza a interação da luz, raios-X e partículas com um material para determinar sua composição, estado químico e ligações, complementando a imagem estrutural obtida por difração e microscopia.

Definition

A caracterização espectroscópica de materiais é a determinação da composição elementar, estado químico e ligações de um material, medindo como ele absorve, emite ou espalha fótons, ou como ele libera elétrons sob excitação, através das regiões relevantes do espectro eletromagnético.

Scope

Este tópico abrange os métodos espectroscópicos utilizados para analisar materiais: espectroscopias vibracionais (infravermelho e Raman) que identificam ligações e fases; espectroscopias de fotoelétrons de raios-X e Auger que informam a composição da superfície e o estado de oxidação; e absorção de raios-X e outros métodos que investigam a estrutura local e o estado eletrônico. Ele aborda o que cada técnica mede, sua sensibilidade de superfície ou de volume, e como os dados espectroscópicos identificam espécies químicas e ambientes de ligação.

Core questions

• Como os espectros vibracionais revelam ligações e identificam fases?
• Como os métodos de fotoelétrons e Auger fornecem a composição da superfície e o estado de oxidação?
• Como a absorção de raios-X investiga a estrutura local e o estado eletrônico?
• Como os métodos sensíveis à superfície e de volume são escolhidos e combinados?

Key concepts

• Espectroscopia infravermelha e Raman
• Espectroscopia de fotoelétrons de raios-X
• Espectroscopia de elétrons Auger
• Espectroscopia de absorção de raios-X
• Sensibilidade de superfície versus volume
• Estado químico e ligação

Key theories

Impressão digital vibracional

A absorção infravermelha e o espalhamento Raman medem as frequências vibracionais das ligações, que dependem dos átomos e de suas ligações; os espectros resultantes atuam como impressões digitais que identificam grupos funcionais, fases e mudanças estruturais em um material.

Espectroscopia de fotoelétrons e estado químico

A espectroscopia de fotoelétrons de raios-X mede as energias de ligação dos elétrons de caroço ejetados de uma superfície; essas energias mudam com o estado de oxidação e o ambiente de ligação, de modo que a técnica relata tanto os elementos presentes quanto seu estado químico nas camadas atômicas mais externas.

Mechanisms

Fótons infravermelhos são absorvidos e fótons Raman são espalhados inelasticamente em energias definidas pelas vibrações de ligação; raios-X ejetam elétrons de caroço cujas energias de ligação, deslocadas pelo ambiente químico, são medidas na espectroscopia de fotoelétrons; e o ajuste da energia dos raios-X através das bordas de absorção investiga a coordenação local e o estado eletrônico de um elemento escolhido.

Clinical relevance

Os métodos espectroscópicos identificam as espécies químicas, estados de oxidação e ligações em materiais, diagnosticam a composição e contaminação da superfície, e acompanham as mudanças químicas durante a síntese, catálise e degradação, fornecendo as informações sobre o estado químico que as técnicas estruturais sozinhas não podem oferecer.

History

A descoberta de Raman em 1928 do espalhamento inelástico da luz e o amadurecimento da espectroscopia infravermelha deram aos químicos impressões digitais vibracionais dos materiais. O desenvolvimento da espectroscopia de fotoelétrons de raios-X de alta resolução por Siegbahn nas décadas de 1950 e 1960, reconhecido pelo Prêmio Nobel de 1981, adicionou a composição quantitativa da superfície e a análise do estado químico, completando o conjunto de ferramentas espectroscópicas para materiais.

Key figures

• Kai Siegbahn
• Chandrasekhara Venkata Raman

Seminal works

• leng2013
• vickerman2009

Frequently asked questions

Por que usar espectroscopia se a difração já fornece a estrutura?

A difração revela a estrutura periódica média, mas diz pouco sobre o estado químico, ligações ou espécies amorfas e de superfície. A espectroscopia relata estados de oxidação, grupos funcionais e ligações locais, de modo que as duas abordagens juntas fornecem uma descrição muito mais completa do que qualquer uma delas sozinha.

O que torna a espectroscopia de fotoelétrons de raios-X sensível à superfície?

Embora os raios-X penetrem profundamente em uma amostra, os fotoelétrons que eles ejetam só podem escapar dos poucos nanômetros mais externos antes de serem reabsorvidos. Como apenas os elétrons desta fina região próxima à superfície atingem o detector, a técnica relata a composição e o estado químico da superfície.