1 / 45

Rezgési spektroszkópia alkalmazásai az anyagtudományokban

Rezgési spektroszkópia alkalmazásai az anyagtudományokban. Anyagtudományi szakirány ea.: Tarczay György 2 × 2 óra. Molekula- rezgések gerjesztése. Molekulák- forgásának gerjesztése. Elektron- gerjesztés. Magspin- gerjesztés. Maggerjesztések. Ionizáció. Rezgési spektroszkópia.

conner
Download Presentation

Rezgési spektroszkópia alkalmazásai az anyagtudományokban

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Rezgési spektroszkópia alkalmazásai az anyagtudományokban Anyagtudományi szakirány ea.: Tarczay György 2×2 óra

  2. Molekula- rezgések gerjesztése Molekulák- forgásának gerjesztése Elektron- gerjesztés Magspin- gerjesztés Maggerjesztések Ionizáció Rezgési spektroszkópia

  3. fluoreszcencia, foszforeszencia n<n0 reflexió (diffúz, tükrös, teljes, gyengített) n=n0, I<I0 minta abszorpció (transzmisszió) n=n0, I<I0 n0, I0 forrás (monokromatikus) Rayleigh-, Mie-szórás n=n0 Raman-szóródás n=n0±n´ minta emisszió A fény és az anyag kölcsönhatása

  4. V v=4 v=3 v=2 v=1 v=0 re r Rezgések elméleti leírása, kiválasztási szabályok Klasszikus: Born-Oppenheimer közelítés Harmonikus oszcillátor modell Kétatomos (AB) molekula: Kvantummechanikai: v: rezgési kvantumszám Hv: Hermite-polinom kiválasztási szabályok: Dv=±1 IR: átmeneti dipólus momentum 0 Raman: polarizálhatóság változása 0 Többatomos molekulák: Normálkoordináták (csatolt rezgések), de környező kötések erőállandójától jelentősen eltérő erősségű kötések → karakterisztikus kötési és csoportfrekvenciák

  5. Rezgési spektroszkópia alkalmazásai – nagyvonalakban • minőségi elemzés • karakterisztikus kötési és csoportfrekvenciák • spektrumgyűjtemények (könyv,digitális) • szisztematikus és izotópszubsztituált sorozatok • kvantumkémiai számítások • szerkezeti információ • eltérés a jellemző (karakterisztikus) értéktől, pl.: konjugáció, induktív effektus, csatolások, rezonanciák • fizikai környezet hatásainak megjelenése a spektrumban, pl.: gázok esetében rotációs szerkezet, spektrumvonalak kiszélesedése nyomás (hőmérséklet) miatt; kondenzált fázisok esetében hidrogénkötés (és más intermolekuláris kölcsönhatások), felhasadás a molekula és a kristály eltérő szimmetriája miatt, eltérő kristálymódosulatok, forrósávok, stb… • irányfüggés (anizotrópia, irányfüggő és polarizációs mérések) és térbeli eloszlás (IR-, Raman-mikroszkóp) • mennyiségi elemzés, tisztaságvizsgálat • intenzitások (LambertBeer törvény; élelmiszer-, műanyagipar, légköranalitika) • reakció sebességek és mechanizmusok • gyors, időfelbontott technikák • tranziensek, reaktív specieszek vizsgálata speciális (pl. mátrixizolációs módszerekkel)

  6. Karakterisztikus frekvenciák – szerves vegyületek

  7. Karakterisztikus frekvenciák – szervetlen ionok http://chemlab.truman.edu/CHEM475Labs/IRFolder/VibrationalFrequencies.htm

  8. Karakterisztikus frekvenciák – szervetlen ionok

  9. Karakterisztikus frekvenciák – fémkomplexek

  10. Karakterisztikus frekvenciák – polimerek azonosítása

  11. Kristálymódosulat hatása a rezgési spektrumra aragonit kalcit

  12. TiO2 réteg fázisátmenete rutil anatáz Y. Djaoued , S. Badilescu, P.V. Ashrit, D. Bersani, P.P. Lottici and J. Robichaud, Journal of Sol-Gel Science and Technology, 24, 255, 2002.

  13. Látható (VIS) Középső vagy analitikai IR (MIR) Mikrohullám (MW) Közeli IR (NIR) Távoli IR (FIR) ~ n / cm1 12 500 4 000 400 20 Az infravörös sugárzás tartományokra osztása Jelenség rezgési felhangok szerves molekulák alaprezgései nagyamplitudójú rezgések, fémkomplexek, fémorganikus mol. rezg., kismolekulák forgása, rácsrezgések minőségi analízis, szerkezeti információ elsősorban szerkezeti információ Alkalmazás elsősorban mennyiségi analízis (pl. műanyag-, élelmiszeripar) Optikai elemek (ablakok, lencsék, mintatartók) kvarcüveg ↓ üvegszáloptika használatának lehetősége Ionrácsos anyagok: KBr, NaCl, CsCl, CaF2, ZnSe, KRS5 (TlBr/TlI) Si, Ge polietilén

  14. Egyutas (~csatornás) készülék F D Minta v. referencia D Kétutas készülék Egyutas intenzitás spektrumok Transzmittancia, abszorbancia spektrumok Minta F D D T Referencia referencia (háttér) T=I/I0 Intenzitás/tetszőleges egység A=log(1/T) minta A Intenzitás, transzmittancia, abszorbancia spektrumok

  15. Diszperziós IR készülékek

  16. Fourier-transzformációs IR készülékek

  17. A Michaelson-interferométer ← Fourier-transzformáció (FT) / inverz-FT → Fix tükör Lencse DX Forrás Mozgó tükör Sugárosztó (féligáteresztő tükör) Detektor 2DX=nl erősítés 2DX=(n+1/2)l kioltás I I ~ DX/ mm n/ cm1 Fourier-transzformációs IR készülékek

  18. Fourier-transzformációs IR készülékek • Mérési pontok száma véges, ezért Fourier-transzformáció helyett diszkrét (gyors) Fourier-transzformáció (és nem egzakt nullpont, ezért cos→exp): • Fourier-transzformáció következményei: • A mozgó tükör nagyobb maximális kitérése (DXmax) növeli a felbontást. • A mérési pontok sűrűsége a spektrumtartomány szélességet határozza meg. • Az FTIR készülékek fő előnyei a diszperziós készülékekhez képest: • Egyszerűbb felépítés • Nincs rés  nagyobb intenzitás  jobb jel/zaj viszony (Jacquinot-előny) • Minden mérési pont az összes l-ról ad információt  „virtuálisan” hosszabb mérési idő  jobb jel/zaj viszony (multiplex vagy Fellget-előny) • Belső kalibráció (DX mérését HeNe lézer végzi) • FT előtti, és a FT-hoz kapcsolódó fontosabb műveletek: • apodizáció • nulla-feltöltés • fáziskorrekció • FT utáni, felhasználó-függő műveletek: • alapvonal-korrekció, simítás, stb…

  19. Lézer IR spektroszkópia Számos technikailag és elvileg eltérő lehetőség (lsd. Lézerek a kémiában speci) Egy példa a sok közül: hangolható diódalézer-spektroszkópia (TDS) Lézer Detektor http://www.chem.ualberta.ca/~jaeger/research/ir/tdls.htm

  20. Infravörös sugárforrások

  21. IR ablakanyagok

  22. IR detektorok Termikus Kvantumos (félvezető) Pneumatikus „Intrinsic” „Extrinsic” Piro-elektromos Termopárok „Tiszta” félvezetők „Szennyezett” félvezetők, pl. Si, Ge Foto-elektro-mos effektus pl. J-, K-, N-, stb. típus Bolométerek Kristály hőelnyelése hatására töltés a felüle- tén, pl. DTGS Hőmérsékletfüggő ellenállású vezető + IR adszorbens réteg Foto-konduktív Foto-voltaikus Mikrofon Golay-cella Vezető-képesség változása, pl. PbS, MCT Elektromos áram keltése, pl. InSb, MCT Hőtáguló gáz (Xe) tartályára szerelt tükör + fényforrás és fotocella Fotoakusztikus spektroszkópia Infravörös kamerák CCD

  23. tükör IR áteresztő, viszonylag nagy törésmutatójú anyag Diffúz reflexió (DR, DRFTS) Gyengített totálreflexió (ATR) IR spektrumfelvételi technikák REFLEXIÓS TRANSZMISSZIÓS IR sugárzást visszaverő hordozó minta ablak EMISSZIÓS Spekuláris (SR) Reflexiós-abszorpciós (RAS, IRRAS,RAIRS) Küvetta, folyadékfilm, (nujol) szuszpenzió felizzított fém BELSŐ KÜLSŐ REFLEXIÓ AKKUSZTIKUS Film mikrofon Film, metszet, (KBr,PE) pasztilla

  24. Transzmissziós technikák • Gázküvetták (egyszerű, White- és Heriotte- cellák, GC-IR átfolyó küvetták) • Folyadékküvetták (fix, szétszedhető, változtatható szélességű, temperálható; !: oldószer elnyelése) • Szuszpenziós filmek (nujol, fluorolube, hexaklór-butadién; !: szuszpendálószer elnyelése) • KBr pasztilla (!: sóknál esetleges kicserélődés a bromidionnal) • Folyadékfilm • Szilárdfilm (préselés, oldat bepárlása) • Metszetek

  25. Relatív SR/RAS • referencia • minta detektorhoz beeső sugárzás tükrök Közel normálszögű feltét 45º-os feltét Súrlódó (Grazing angle) szögű feltét monorétegek vizsgálata Változtatható szögű feltét SR/RAS technikák

  26. SR/RAS technikák Abszolút SR/RAS „ideális tükrök” Közel normálszögű V-N feltét minta V-W feltét hátrány: két ponton érint a sugár a felületet 60º-os V-N feltét

  27. Képzetes törésmutató visszaverődés fázisváltozással Reflexiós technikák Kramers-Kronig-transzformácó vagy egyéb korrekció

  28. FTIR-RAS „on-line”, „real-time” alkalmazása VCD technikáknál

  29. RAIRS berendezés felületi abszorpció/katalízis vizsgálatára

  30. RAIRS példák CO platina felületen NO Pt felületen

  31. RAIRS

  32. merőleges (s-polarizált) párhuzamos (p-polarizált) Fém erősítés kioltás Polarizációs RAS vizsgálatok Speciális technika: SEIRA (Surface enhanched IR Absorbtion) SEIRRAS (Surface enhanched IRRAS)

  33. Anizotróp anyagok polarizációs SR/RAS vizsgálata Reflexiós anizotrópia spektroszkópia (RAS) Reflexiósdifferencia spektroszkópia (RDS)

  34. beeső sugárzás • referencia • minta beeső sugárzás referencia beeső sugárzás minta DRIFTS Térintegrált elrendezések spekuláris reflexió blokkolása

  35. DRIFTS Nem-térintegrált elrendezések Változtatható beesési szögű elrendezés

  36. PAS

  37. DRIFTS és PAS összehasonlítása

  38. ATR Egyreflexiós gyémánt ATR Sokreflexiós ATR 1,3és9reflexió

  39. ATR A törésmutatók szerepe nGe > ngyémánt

  40. ATR Kristály-minta kontaktus szerepe

  41. ATR Tömbfázis-felület

  42. ATR Leggyakoribb ATR kristályok

  43. ATR AZ ATR spektrum minőségét meghatározó tényezők • Az ATR kristály és a minta törésmutatója • Az IR sugárzás beesési szöge • Kritikus szög • Behatolási mélység • Hullámhossz • Effektív úthossz • Visszaverődések száma • A minta és az ATR kristály kontaktusa • Az ATR kristály karakterisztikája

  44. ATR • Előnyök • Nincs mintaelőkészítés, gyors tisztítás • Visszanyerhető a minta • Kevés minta elegendő (főleg a gyémánt ATR-nél) • Gyémánt ATR mechanikailag és kémiailag ellenálló • Por, film, folyadék egyaránt vizsgálható • Vizes oldatok is vizsgálhatók • Hátrányok • Gyengébb spektrumok, mint a transzmissziós sp-k • Gyémánt 2200 cm1és 1900 cm1 között elnyel • ZnSe (és ZnSe/gyémánt) 550 cm1 to 50 cm1 között elnyel

  45. Gyakoribb IR mérési módszerek összehasonlítása

More Related