Đặc trưng vật liệu bằng phương pháp quang phổ

Đặc trưng vật liệu bằng phương pháp quang phổ sử dụng sự tương tác của ánh sáng, tia X và các hạt với vật liệu để xác định thành phần, trạng thái hóa học và liên kết của vật liệu, bổ sung cho bức tranh cấu trúc từ nhiễu xạ và kính hiển vi.

Definition

Đặc trưng vật liệu bằng phương pháp quang phổ là việc xác định thành phần nguyên tố, trạng thái hóa học và liên kết của vật liệu bằng cách đo cách vật liệu hấp thụ, phát xạ hoặc tán xạ photon hoặc cách nó giải phóng electron dưới sự kích thích, trên các vùng liên quan của phổ điện từ.

Scope

Chủ đề này bao gồm các phương pháp quang phổ được sử dụng để phân tích vật liệu: quang phổ dao động (hồng ngoại và Raman) dùng để nhận dạng liên kết và các pha; quang phổ quang điện tử tia X và Auger dùng để báo cáo thành phần bề mặt và trạng thái oxy hóa; và hấp thụ tia X cùng các phương pháp khác thăm dò cấu trúc cục bộ và trạng thái điện tử. Nó đề cập đến những gì mỗi kỹ thuật đo lường, độ nhạy bề mặt hoặc khối, và cách dữ liệu quang phổ xác định các loài hóa học và môi trường liên kết.

Core questions

• Làm thế nào các phổ dao động tiết lộ liên kết và xác định các pha?
• Làm thế nào các phương pháp quang điện tử và Auger cung cấp thành phần bề mặt và trạng thái oxy hóa?
• Làm thế nào hấp thụ tia X thăm dò cấu trúc cục bộ và trạng thái điện tử?
• Làm thế nào các phương pháp nhạy bề mặt và khối được lựa chọn và kết hợp?

Key concepts

• Quang phổ hồng ngoại và Raman
• Quang phổ quang điện tử tia X
• Quang phổ điện tử Auger
• Quang phổ hấp thụ tia X
• Độ nhạy bề mặt so với khối
• Trạng thái hóa học và liên kết

Key theories

Nhận dạng bằng dấu vân tay dao động

Hấp thụ hồng ngoại và tán xạ Raman đo tần số dao động của các liên kết, phụ thuộc vào các nguyên tử và liên kết của chúng; các phổ thu được hoạt động như dấu vân tay để xác định các nhóm chức, pha và thay đổi cấu trúc trong vật liệu.

Quang phổ quang điện tử và trạng thái hóa học

Quang phổ quang điện tử tia X đo năng lượng liên kết của các electron lõi bị đẩy ra khỏi bề mặt; các năng lượng này dịch chuyển theo trạng thái oxy hóa và môi trường liên kết, do đó kỹ thuật này báo cáo cả các nguyên tố hiện diện và trạng thái hóa học của chúng trong các lớp nguyên tử ngoài cùng.

Mechanisms

Các photon hồng ngoại được hấp thụ và các photon Raman tán xạ không đàn hồi ở các năng lượng được thiết lập bởi các dao động liên kết; tia X đẩy các electron lõi có năng lượng liên kết, bị dịch chuyển bởi môi trường hóa học, được đo trong quang phổ quang điện tử; và điều chỉnh năng lượng tia X qua các cạnh hấp thụ thăm dò sự phối trí cục bộ và trạng thái điện tử của một nguyên tố được chọn.

Clinical relevance

Các phương pháp quang phổ xác định các loài hóa học, trạng thái oxy hóa và liên kết trong vật liệu, chẩn đoán thành phần và ô nhiễm bề mặt, và theo dõi các thay đổi hóa học trong quá trình tổng hợp, xúc tác và phân hủy, cung cấp thông tin trạng thái hóa học mà các kỹ thuật cấu trúc đơn thuần không thể cung cấp.

History

Phát hiện của Raman năm 1928 về tán xạ ánh sáng không đàn hồi và sự trưởng thành của quang phổ hồng ngoại đã mang lại cho các nhà hóa học dấu vân tay dao động của vật liệu. Sự phát triển quang phổ quang điện tử tia X độ phân giải cao của Siegbahn vào những năm 1950 và 1960, được công nhận bằng giải Nobel năm 1981, đã bổ sung phân tích định lượng thành phần bề mặt và trạng thái hóa học, hoàn thiện bộ công cụ quang phổ cho vật liệu.

Key figures

• Kai Siegbahn
• Chandrasekhara Venkata Raman

Seminal works

• leng2013
• vickerman2009

Frequently asked questions

Tại sao sử dụng quang phổ nếu nhiễu xạ đã cung cấp cấu trúc?

Nhiễu xạ tiết lộ cấu trúc tuần hoàn trung bình nhưng ít nói về trạng thái hóa học, liên kết, hoặc các loài vô định hình và bề mặt. Quang phổ báo cáo trạng thái oxy hóa, các nhóm chức và liên kết cục bộ, do đó hai phương pháp này cùng nhau cung cấp một mô tả đầy đủ hơn nhiều so với chỉ một phương pháp.

Điều gì làm cho quang phổ quang điện tử tia X nhạy bề mặt?

Mặc dù tia X xuyên sâu vào mẫu, các quang điện tử mà chúng đẩy ra chỉ có thể thoát ra từ vài nanomet ngoài cùng trước khi bị tái hấp thụ. Vì chỉ các electron từ vùng gần bề mặt mỏng này đến được đầu dò, kỹ thuật này báo cáo thành phần và trạng thái hóa học của bề mặt.