光谱材料表征

光谱材料表征利用光、X射线和粒子与材料的相互作用来确定其成分、化学状态和键合，补充了衍射和显微镜提供的结构图像。

Definition

光谱材料表征是通过测量材料如何吸收、发射或散射光子，或在激发下如何释放电子，在电磁波谱的相关区域内，来确定材料的元素组成、化学状态和键合。

Scope

本主题涵盖用于分析材料的光谱方法：振动光谱（红外和拉曼）可识别键合和相；X射线光电子和俄歇光谱可报告表面成分和氧化态；以及X射线吸收和其他探测局部结构和电子状态的方法。它阐述了每种技术测量的内容、其表面或体敏感性，以及光谱数据如何识别化学物质和键合环境。

Core questions

• 振动光谱如何揭示键合并识别相？
• 光电子和俄歇方法如何提供表面成分和氧化态？
• X射线吸收如何探测局部结构和电子状态？
• 如何选择和结合表面敏感和体相方法？

Key concepts

• 红外和拉曼光谱
• X射线光电子能谱
• 俄歇电子能谱
• X射线吸收光谱
• 表面与体相敏感性
• 化学状态和键合

Key theories

振动指纹识别

红外吸收和拉曼散射测量键的振动频率，这取决于原子及其键合；由此产生的谱图作为指纹，识别材料中的官能团、相和结构变化。

光电子能谱和化学状态

X射线光电子能谱测量从表面射出的核心电子的结合能；这些能量随氧化态和键合环境而变化，因此该技术报告了存在的元素及其在最外层原子层中的化学状态。

Mechanisms

红外光子被吸收，拉曼光子发生非弹性散射，其能量由键振动决定；X射线射出核心电子，其结合能因化学环境而发生偏移，在光电子能谱中进行测量；通过调节X射线能量穿过吸收边，可以探测所选元素的局部配位和电子状态。

Clinical relevance

光谱方法可以识别材料中的化学物质、氧化态和键合，诊断表面成分和污染，并跟踪合成、催化和降解过程中的化学变化，提供仅凭结构技术无法获得的化学状态信息。

History

拉曼于1928年发现非弹性光散射，以及红外光谱的成熟，为化学家提供了材料的振动指纹。西格班在20世纪50年代和60年代开发了高分辨率X射线光电子能谱，并因此于1981年获得诺贝尔奖，这增加了定量的表面成分和化学状态分析，完善了材料光谱工具包。

Key figures

• Kai Siegbahn
• Chandrasekhara Venkata Raman

Seminal works

• leng2013
• vickerman2009

Frequently asked questions

如果衍射已经提供了结构，为什么还要使用光谱学？

衍射揭示了平均周期性结构，但对化学状态、键合或无定形和表面物质知之甚少。光谱学报告氧化态、官能团和局部键合，因此这两种方法结合起来比单独使用任何一种都能提供更完整的描述。

是什么使X射线光电子能谱具有表面敏感性？

尽管X射线可以深入样品，但它们射出的光电子只能从最外层几纳米处逸出，然后被重新吸收。由于只有来自这个薄的近表面区域的电子才能到达探测器，因此该技术报告了表面的成分和化学状态。