การจำแนกลักษณะวัสดุด้วยสเปกโทรสโกปี

การจำแนกลักษณะวัสดุด้วยสเปกโทรสโกปีใช้การอันตรกิริยาของแสง รังสีเอกซ์ และอนุภาคกับวัสดุ เพื่อกำหนดองค์ประกอบ สถานะทางเคมี และพันธะของวัสดุ ซึ่งช่วยเสริมภาพโครงสร้างที่ได้จากการเลี้ยวเบนและจุลทรรศน์

Definition

การจำแนกลักษณะวัสดุด้วยสเปกโทรสโกปีคือการกำหนดองค์ประกอบทางเคมี สถานะทางเคมี และพันธะของวัสดุ โดยการวัดว่าวัสดุนั้นดูดกลืน ปล่อย หรือกระเจิงโฟตอนอย่างไร หรือปล่อยอิเล็กตรอนภายใต้การกระตุ้นอย่างไร ในช่วงที่เกี่ยวข้องของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมวิธีการทางสเปกโทรสโกปีที่ใช้ในการวิเคราะห์วัสดุ ได้แก่ สเปกโทรสโกปีแบบสั่น (อินฟราเรดและรามัน) ที่ใช้ระบุพันธะและเฟส; สเปกโทรสโกปีโฟโตอิเล็กตรอนรังสีเอกซ์และออเกอร์ที่รายงานองค์ประกอบพื้นผิวและสถานะออกซิเดชัน; และการดูดกลืนรังสีเอกซ์และวิธีอื่น ๆ ที่ตรวจสอบโครงสร้างเฉพาะที่และสถานะอิเล็กทรอนิกส์ โดยจะกล่าวถึงสิ่งที่แต่ละเทคนิคใช้วัด ความไวต่อพื้นผิวหรือปริมาตร และวิธีที่ข้อมูลสเปกโทรสโกปีระบุชนิดทางเคมีและสภาพแวดล้อมของพันธะ

Core questions

• สเปกตรัมการสั่นเผยให้เห็นพันธะและระบุเฟสได้อย่างไร?
• วิธีการโฟโตอิเล็กตรอนและออเกอร์ให้องค์ประกอบพื้นผิวและสถานะออกซิเดชันได้อย่างไร?
• การดูดกลืนรังสีเอกซ์ตรวจสอบโครงสร้างเฉพาะที่และสถานะอิเล็กทรอนิกส์ได้อย่างไร?
• วิธีการที่ไวต่อพื้นผิวและวิธีการที่ไวต่อปริมาตรถูกเลือกและรวมกันได้อย่างไร?

Key concepts

• สเปกโทรสโกปีอินฟราเรดและรามัน
• สเปกโทรสโกปีโฟโตอิเล็กตรอนรังสีเอกซ์
• สเปกโทรสโกปีอิเล็กตรอนออเกอร์
• สเปกโทรสโกปีการดูดกลืนรังสีเอกซ์
• ความไวต่อพื้นผิวเทียบกับความไวต่อปริมาตร
• สถานะทางเคมีและพันธะ

Key theories

การระบุลายนิ้วมือการสั่น

การดูดกลืนอินฟราเรดและการกระเจิงรามันวัดความถี่การสั่นของพันธะ ซึ่งขึ้นอยู่กับอะตอมและพันธะของพวกมัน; สเปกตรัมที่ได้ทำหน้าที่เป็นลายนิ้วมือที่ระบุหมู่ฟังก์ชัน เฟส และการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างในวัสดุ

สเปกโทรสโกปีโฟโตอิเล็กตรอนและสถานะทางเคมี

สเปกโทรสโกปีโฟโตอิเล็กตรอนรังสีเอกซ์วัดพลังงานยึดเหนี่ยวของอิเล็กตรอนแกนในที่ถูกขับออกจากพื้นผิว; พลังงานเหล่านี้จะเปลี่ยนไปตามสถานะออกซิเดชันและสภาพแวดล้อมของพันธะ ดังนั้นเทคนิคนี้จึงรายงานทั้งธาตุที่มีอยู่และสถานะทางเคมีของพวกมันในชั้นอะตอมที่อยู่ด้านนอกสุด

Mechanisms

โฟตอนอินฟราเรดจะถูกดูดกลืนและโฟตอนรามันจะกระเจิงแบบไม่ยืดหยุ่นที่พลังงานซึ่งกำหนดโดยการสั่นของพันธะ; รังสีเอกซ์จะขับอิเล็กตรอนแกนในซึ่งมีพลังงานยึดเหนี่ยวที่เปลี่ยนไปตามสภาพแวดล้อมทางเคมี ซึ่งวัดได้ในสเปกโทรสโกปีโฟโตอิเล็กตรอน; และการปรับพลังงานรังสีเอกซ์ข้ามขอบการดูดกลืนจะตรวจสอบการประสานงานเฉพาะที่และสถานะอิเล็กทรอนิกส์ของธาตุที่เลือก

Clinical relevance

วิธีการทางสเปกโทรสโกปีระบุชนิดทางเคมี สถานะออกซิเดชัน และพันธะในวัสดุ วินิจฉัยองค์ประกอบพื้นผิวและการปนเปื้อน และติดตามการเปลี่ยนแปลงทางเคมีในระหว่างการสังเคราะห์ การเร่งปฏิกิริยา และการเสื่อมสภาพ โดยให้ข้อมูลสถานะทางเคมีที่เทคนิคโครงสร้างเพียงอย่างเดียวไม่สามารถให้ได้

History

การค้นพบการกระเจิงแสงแบบไม่ยืดหยุ่นของรามันในปี 1928 และการพัฒนาสเปกโทรสโกปีอินฟราเรด ทำให้เกิดการระบุลายนิ้วมือการสั่นของวัสดุสำหรับนักเคมี การพัฒนาสเปกโทรสโกปีโฟโตอิเล็กตรอนรังสีเอกซ์ความละเอียดสูงของซีบานในช่วงทศวรรษ 1950 และ 1960 ซึ่งได้รับการยอมรับจากรางวัลโนเบลในปี 1981 ได้เพิ่มการวิเคราะห์องค์ประกอบพื้นผิวเชิงปริมาณและสถานะทางเคมี ทำให้ชุดเครื่องมือสเปกโทรสโกปีสำหรับวัสดุสมบูรณ์ยิ่งขึ้น

Key figures

• Kai Siegbahn
• Chandrasekhara Venkata Raman

Seminal works

• leng2013
• vickerman2009

Frequently asked questions

ทำไมต้องใช้สเปกโทรสโกปีในเมื่อการเลี้ยวเบนก็ให้โครงสร้างอยู่แล้ว?

การเลี้ยวเบนเผยให้เห็นโครงสร้างเป็นคาบโดยเฉลี่ย แต่ให้ข้อมูลเพียงเล็กน้อยเกี่ยวกับสถานะทางเคมี พันธะ หรือชนิดของสารอสัณฐานและพื้นผิว สเปกโทรสโกปีรายงานสถานะออกซิเดชัน หมู่ฟังก์ชัน และพันธะเฉพาะที่ ดังนั้นทั้งสองแนวทางร่วมกันจึงให้คำอธิบายที่สมบูรณ์ยิ่งขึ้นกว่าการใช้เพียงอย่างใดอย่างหนึ่ง

อะไรที่ทำให้สเปกโทรสโกปีโฟโตอิเล็กตรอนรังสีเอกซ์มีความไวต่อพื้นผิว?

แม้ว่ารังสีเอกซ์จะทะลุผ่านเข้าไปในตัวอย่างได้ลึก แต่อิเล็กตรอนโฟโตที่ถูกขับออกมาสามารถหลุดรอดออกมาได้จากเพียงไม่กี่นาโนเมตรที่อยู่ด้านนอกสุดก่อนที่จะถูกดูดซับกลับเข้าไปใหม่ เนื่องจากมีเพียงอิเล็กตรอนจากบริเวณใกล้พื้นผิวที่บางนี้เท่านั้นที่ไปถึงเครื่องตรวจจับ เทคนิคนี้จึงรายงานองค์ประกอบและสถานะทางเคมีของพื้นผิว