SPEKTROMETRIE aneb co jsem se dozvěděla autor: Zdeňka Baxová
FTIR spektrometrie analytická metoda identifikace látek (organických i anorganických) všech skupenství měříme pohlcení IČ záření (o různé vlnové délce) materiálem a získáme IČ spektrum Principem je absorpce infračerveného záření při průchodu vzorkem, při níž dochází ke změnám rotačně vibračních energetických stavů molekuly v závislosti na změnách dipólového momentu molekuly Molekulové vibrace: a) valenční b) deformační b) nůžková a) symetrická asymetrická kyvadlová vějířová
Princip FTIR spektrometrie Elektromagnetické spektrum FTIR spektrometr pracuje v rozsahu vlnových délek 2,5 25 μm Princip spektrometru I o IČ zdroj vzorek I detektor analytickým výstupem je IČ spektrum, které je grafickým zobrazením funkční závislosti energie na vlnočtu (ν) dopadajícího záření energie vyjádřená: a) transmitancí (%) b) absorbancí transmitance T=I /I absorbance A = -log T reflektance R A + T + R = 1 f(λ) 3 typy grafů veličiny: vlnočty ν = 1 /λ (cm -1 )
Amorfní hydrogenizovaný křemík a-si:h Krystalický Si Amorfní hydrogenizovaný Si - pravidelná krystalická struktura Použití: - fotovoltaické články I. generace Použití: - fotovoltaické články II. generace Vytváření tenkých vrstev a-si:h: - chemickou depozicí (CVD), kde sledovaným parametrem je zředění (poměr plynů při depozici H 2 /SiH 4 )
FTIR spektrometr Nicolet 38 Princip reflektanční techniky (spekulární reflektance) n a-si:h Substrate Nástavec zrcadlové reflektance 3 kontaktní úhel Nástavec Smart SAGA 8 kontaktní úhel
Techniky měření DRIFT - difúzní reflektance -je měřena difúzně rozptýlená složka záření ATR - zeslabená úplná reflektance - princip násobného úplného odrazu záření na fázovém rozhraní měřeného vzorku a měřícího krystalu z materiálu o vysokém indexu lomu -měřený vzorek je v dokonalém kontaktu s ATR krystalem (planární, ve tvaru lichoběžníkového hranolu) - svazek paprsků je přiveden do krystalu soustavou zrcadel tak, aby úhel dopadu na fázové rozhraní vyhověl podmínce totálního odrazu SR - spekulární reflektance (zrcadlová) -měření změny intenzity záření odraženého od lesklé podložky, na které je umístěn nebo nanesen vzorek - Spekulární reflexí je ta část odraženého záření, která splňuje Snellův zákon, tzn. úhel odrazu se vzhledem k makroskopické rovině vzorku rovná úhlu dopadu - intenzita odraženého paprsku je závislá na úhlu dopadu, indexu lomu, absorbčních vlastnostech vzorku a povrchu měřeného materiálu SAGA - stejný princip jako u SR ale používá se pro měření tenčích vrstev a paprsek dopadá pod odlišným úhlem
Infračervená spektra amorfního hydrogenizovaného křemíku a-si:h transmitanční spektra ATR spektra 8 7 6 A 293 R = A 292 R = 5 A 291 R = 1 A 29 R = 15 A 2899 R = 2.4.35.3 A 293 R = A 292 R = 5 A 291 R = 1 A 29 R = 15 A 2899 R = 2 Transmittance (%) 5 4 3 2 Absorbance (-).25.2.15.1 1.5 2 25 3 35 4. 1 15 2 25 3 35 4 Wavenumbers (cm -1 ) Wavenumbers (cm -1 ) SR spektra SAGA spektra 1.2 1.1 1..9 A 293 R = A 292 R = 5 A 291 R = 1 A 29 R = 15 A 2899 R = 2.7.6 25 nm 5 nm 75 nm 1 nm Absorbance (-).8.7.6.5 Absorbance (-).5.4.4.3.2 1 15 2 25 3 35 4.3 1 15 2 25 3 35 4 Wavenumbers (cm -1 ) Wavenumber (cm -1 )
Charakteristické pásy (skupiny) na IČ spektru Charakteristická skupina Pozorovaný vlnočet vibrace (cm -1 ) X-H (O-H, N-H) okolo 36 C-H valenční okolo 3 Valenční vibrace trojných vazeb 2-25 C=O valenční vibrace okolo 17 C=C valenční vibrace okolo 165 Aromatické systémy okolo 15 -NH 2, -NH, -CH 2 deformační vibrace okolo 15 44 A2483 - SAGA (1 nm) 42 4 38 %Transmittance 36 34 32 3 28 26 24 4 35 3 25 Wavenumbers (cm-1) 2 15 1 5
Vyhodnocování spekter - asymetrický pás 2 cm -1, kde se nachází PeakFit v 4.12 vibrační módy - SiH 2 cm -1 A 293 -SiH 2 29 cm -1 Pk=Pearson VII Area 2 Peaks.5.4 r^2=.996511 SE=.945344 F=9424.74 1998.4.5.4 Absorbance (-).4.35.3.25.2.15 Absorbance (-).6.5.4.3.2.1 A 293 R = A 292 R = 5 A 291 R = 1 A 29 R = 15 A 2899 R = 2. 18 19 2 21 22 Wavenumbers (cm -1 ).3.2.1.4.3.2 273.9.3.2.1.4.3.2.1.1.1.5. 1 15 2 25 3 35 4 -.1 18 19 2 21 22 -.1 Wavenumbers (cm -1 ) μ = Mikrostrukturní faktor I SiH 2 ISiH ( ν ) dν 2 ( ν ) dν + I ( ν ) SiH dν - informaci o kompaktnosti materiálu - jeho vyšší hodnota poukazuje na přítomnost dutin ve vrstvě, což je pro fotovoltaické aplikace nevhodné - < 1% - I ( ν ) dν 2.. integrální intenzita (plocha pod křivkou) SiH
Vyhodnocování spekter koncentrace vodíku v atomových procentech C = A N x α ( ν ) ν dν H int A x konstanta úměrnosti pro daný vibrační mód A x = 9 1 19 cm -2 N int celková atomová koncentrace 5 1 22 cm -3 pro c-si α ( ν ) absobční koeficient Absorbance (-).6.5.4.3.2.1 A 293 R = A 292 R = 5 A 291 R = 1 A 29 R = 15 A 2899 R = 2. 18 19 2 21 22 Wavenumbers (cm -1 ) Absorpční koeficient α = 1 d d tloušťka vrstvy T transmitance (%) ln T T α (cm -1 ) 45 4 35 3 25 2 15 1 5 18 19 2 21 22 Vlnočet (cm -1 )
Výpočty z naměřených hodnot: UV VIS spektrofotometrie index lomu n tloušťka vrstvy d λ2λ1 m 2( λ2 λ1 ) d = n 2 2 sin θ ) šířka zakázaného pásu v polovodičích 9 8 7 IČ spektrometr a UV-VIS spektrofotometrie 6 Reflektance[%] 5 4 3 2 1 5 1 15 2 25 3 Vlnová délka[nm]
KONEC Poděkování a zdroje informací: Ing. Veronika Vavruňková, NTC http://lms.vscht.cz