Спектроскопическая характеристика материалов

Спектроскопическая характеристика материалов использует взаимодействие света, рентгеновских лучей и частиц с материалом для определения его состава, химического состояния и связей, дополняя структурную картину, получаемую методами дифракции и микроскопии.

Definition

Спектроскопическая характеристика материалов — это определение элементного состава, химического состояния и связей материала путем измерения того, как он поглощает, испускает или рассеивает фотоны, или как он высвобождает электроны при возбуждении, в соответствующих областях электромагнитного спектра.

Scope

Эта тема охватывает спектроскопические методы, используемые для анализа материалов: колебательные спектроскопии (инфракрасная и комбинационного рассеяния), которые позволяют идентифицировать связи и фазы; рентгеновская фотоэлектронная и оже-спектроскопии, которые сообщают о составе поверхности и степени окисления; а также рентгеновская абсорбция и другие методы, исследующие локальную структуру и электронное состояние. В ней рассматривается, что измеряет каждая методика, ее чувствительность к поверхности или объему, и как спектроскопические данные идентифицируют химические виды и окружение связей.

Core questions

• Как колебательные спектры выявляют связи и идентифицируют фазы?
• Как фотоэлектронные и оже-методы определяют состав поверхности и степень окисления?
• Как рентгеновская абсорбция исследует локальную структуру и электронное состояние?
• Как выбираются и комбинируются методы, чувствительные к поверхности и объему?

Key concepts

• Инфракрасная спектроскопия и спектроскопия комбинационного рассеяния
• Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия
• Оже-электронная спектроскопия
• Рентгеновская абсорбционная спектроскопия
• Чувствительность к поверхности по сравнению с объемом
• Химическое состояние и связи

Key theories

Колебательная «дактилоскопия»

Инфракрасное поглощение и комбинационное рассеяние измеряют колебательные частоты связей, которые зависят от атомов и их связей; полученные спектры действуют как «отпечатки», которые идентифицируют функциональные группы, фазы и структурные изменения в материале.

Фотоэлектронная спектроскопия и химическое состояние

Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия измеряет энергии связи остовных электронов, выбитых с поверхности; эти энергии смещаются в зависимости от степени окисления и окружения связей, поэтому метод сообщает как о присутствующих элементах, так и об их химическом состоянии в самых внешних атомных слоях.

Mechanisms

Инфракрасные фотоны поглощаются, а фотоны комбинационного рассеяния неупруго рассеиваются при энергиях, определяемых колебаниями связей; рентгеновские лучи выбивают остовные электроны, энергии связи которых, смещенные химическим окружением, измеряются в фотоэлектронной спектроскопии; а настройка энергии рентгеновских лучей по краям поглощения позволяет исследовать локальную координацию и электронное состояние выбранного элемента.

Clinical relevance

Спектроскопические методы идентифицируют химические виды, степени окисления и связи в материалах, диагностируют состав и загрязнение поверхности, а также отслеживают химические изменения во время синтеза, катализа и деградации, предоставляя информацию о химическом состоянии, которую структурные методы сами по себе дать не могут.

History

Открытие Раманом неупругого рассеяния света в 1928 году и развитие инфракрасной спектроскопии дали химикам колебательные «отпечатки» материалов. Разработка Зигбаном рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии высокого разрешения в 1950-х и 1960-х годах, отмеченная Нобелевской премией 1981 года, добавила количественный анализ состава поверхности и химического состояния, завершив спектроскопический инструментарий для материалов.

Key figures

• Kai Siegbahn
• Chandrasekhara Venkata Raman

Seminal works

• leng2013
• vickerman2009

Frequently asked questions

Зачем использовать спектроскопию, если дифракция уже дает структуру?

Дифракция выявляет усредненную периодическую структуру, но мало говорит о химическом состоянии, связях или аморфных и поверхностных видах. Спектроскопия сообщает о степенях окисления, функциональных группах и локальных связях, поэтому оба подхода вместе дают гораздо более полное описание, чем любой из них по отдельности.

Что делает рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию чувствительной к поверхности?

Хотя рентгеновские лучи проникают глубоко в образец, выбитые ими фотоэлектроны могут выйти только из самых внешних нескольких нанометров, прежде чем будут реабсорбированы. Поскольку только электроны из этой тонкой приповерхностной области достигают детектора, метод сообщает о составе и химическом состоянии поверхности.