Спектроскопические методы исследования материалов основываются на
взаимодействии электромагнитного излучения с веществом. Эти методы
позволяют получать информацию о химическом составе, кристаллической
структуре, электронных состояниях и динамике атомов и молекул. Ключевым
принципом является измерение поглощения, излучения или рассеяния
излучения, что отражает энергетические уровни системы и характер связи
между атомами.
Ключевые моменты:
- Энергетические переходы в атомах и молекулах соответствуют
определенным длинам волн излучения.
- Спектры могут быть непрерывными, линейчатыми или полосовыми.
- Выбор диапазона излучения зависит от исследуемых свойств:
инфракрасная область чувствительна к колебательным движениям молекул,
видимая – к электронным переходам, ультрафиолетовая – к возбуждению
валентных электронов.
Ультрафиолетовая и
видимая спектроскопия (UV-Vis)
UV-Vis спектроскопия изучает поглощение электромагнитного излучения в
диапазоне 200–800 нм. Метод широко используется для анализа электронных
переходов в молекулах и кристаллах.
Принципы работы:
- При поглощении фотона электрон переходит с основного состояния на
возбужденное.
- Интенсивность поглощения определяется законом
Бугера–Ламберта–Бэра:
$$
A = \log\frac{I_0}{I} = \varepsilon c l
$$
где A — оптическая
плотность, ε — молярный
коэффициент поглощения, c —
концентрация вещества, l —
длина слоя.
Применение в физике материалов:
- Определение ширины запрещенной зоны полупроводников.
- Исследование окраски и дефектов кристаллов.
- Контроль концентрации примесей и легирующих элементов.
Инфракрасная спектроскопия
(IR)
Инфракрасная спектроскопия анализирует поглощение излучения в
диапазоне 2,5–25 мкм, что соответствует колебательным переходам
молекул.
Основные положения:
- Молекулы поглощают IR-излучение при изменении дипольного
момента.
- Спектр IR представляет собой набор полос, каждая из которых
соответствует конкретному типу химической связи.
- Для кристаллов характерны полосы, связанные с колебаниями
кристаллической решетки (фононы).
Применение:
- Идентификация химических связей и функциональных групп.
- Исследование гидратации и структурных дефектов.
- Контроль фазовых превращений в сплавах и керамике.
Рамановская спектроскопия
Рамановская спектроскопия основана на неупругом рассеянии света, при
котором энергия фотонов изменяется на величину, соответствующую
колебательным уровням вещества.
Ключевые особенности:
- Метод комплементарен IR-спектроскопии: активны те колебания, которые
вызывают изменение поляризуемости молекулы.
- Позволяет изучать кристаллические решетки, углеродные материалы,
наноструктуры.
- Спектры Рамана дают информацию о симметрии и типах колебаний.
Преимущества:
- Не требует специальной подготовки образцов.
- Возможна микроаналитика с разрешением до долей микрометра.
- Чувствителен к структурным дефектам и напряжениям в кристаллах.
Ядерно-магнитный резонанс
(ЯМР)
ЯМР основан на взаимодействии магнитного момента ядра с внешним
магнитным полем.
Основные положения:
- В магнитном поле ядерные спины ориентируются вдоль или против
поля.
- Поглощение радиочастотного излучения приводит к переходу между этими
ориентациями.
- Частота резонанса определяется гиромагнитным отношением и локальной
магнитной средой.
Применение в материалах:
- Определение локальной структуры атомов и молекул.
- Исследование дефектов, межкристаллических взаимодействий и
диффузии.
- Контроль фазовых изменений в сплавах и полимерах.
Эмиссионная и
флуоресцентная спектроскопия
Эмиссионная спектроскопия фиксирует излучение, испускаемое атомами
или ионами после возбуждения. Флуоресцентная спектроскопия характеризует
повторное излучение фотонов после поглощения.
Особенности методов:
- Высокая чувствительность к малым концентрациям элементов.
- Возможность пространственно разрешенных измерений.
- Эмиссия линий характерна для атомарных переходов, флуоресценция –
для молекулярных систем.
Применение:
- Контроль чистоты металлов и сплавов.
- Изучение оксидов и примесей.
- Анализ наноматериалов и квантовых точек.
Рентгеновская спектроскопия
(XPS, EDS)
Рентгеновская спектроскопия исследует взаимодействие рентгеновских
фотонов с веществом.
XPS (рентгеновская фотоэлектронная
спектроскопия):
- Измеряет энергию электронов, выбитых рентгеновскими фотонами.
- Позволяет определять химическое состояние атомов, электронную
структуру и состав поверхности.
EDS (энергетическая дисперсия спектроскопии):
- Используется вместе с электронным микроскопом для локального
анализа.
- Определяет элементный состав по характерным рентгеновским
линиям.
Применение в материалах:
- Исследование поверхностей и тонких пленок.
- Анализ легирующих элементов и загрязнений.
- Контроль оксидных и интерметаллических фаз.
Модернизированные
спектроскопические методы
Современные материалы требуют комплексного подхода, поэтому
спектроскопия часто комбинируется с другими методами:
- FTIR (Fourier Transform IR) – повышает разрешение и
скорость измерений.
- Confocal Raman microscopy – позволяет строить
трехмерные карты химической структуры.
- Time-resolved spectroscopy – исследует динамику
электронных и колебательных процессов.
Преимущества интегрированных подходов:
- Возможность анализа сложных наноструктур и композитов.
- Динамическое наблюдение фазовых переходов.
- Повышенная чувствительность и точность количественного анализа.