光谱分析光吸收.ppt

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1、固体物理实验方法固体物理：从宏观上到微观上理解固体的各种物理性质，阐明其规律性。——重要的基础学科研究方法：理论+实验研究对象：金属、无机半导体、无机绝缘体(电介质）、非晶固体、有机固体、准晶等等研究内容：结构、晶格动力学、电子态、杂质与缺陷、各种物理特性（力、热、声、光、电和磁性质）及其耦合、体性质、表面性质等常用实验方法1.结构分析：基本方法：衍射，根据衍射图像分析结构信息最常用：XRD布拉格方程：sin体性质表面结构性质？低能电子衍射(LEED)内部结构性质？高分辨电子显微镜HRTEM2,显微分析：形貌、相的分布、晶体缺陷等低倍：各种光学显微镜高倍：TEM

2、、SEM、AFM3.成分分析X射线荧光分析、原子吸收光谱、X射线光电子能谱分析、电子探针等4.物性测量[常规(室温、块体）、极端条件(小尺寸、高温、高压、超强磁场等)]如光学性质:吸收系数——吸收光谱(分光光度计)荧光——发射光谱(荧光光谱仪和瞬态/时间分辨荧光光谱仪)光谱分析5、样品制备：物理(PLD、真空镀膜、MBE)、化学(sol-gel、水热法等）光吸收谱光散射谱光发射谱弹性散射非弹性散射(拉曼)紫外、可见红外电磁辐射与物质相互作用引起光的吸收、反射和散射，通过研究这些现象的规律从而进行物质分析，称为光谱分析。光谱分析一、紫外-可见-红外光谱光照射某一固

3、体，可能被反射、吸收或透过，常用吸收率A、反射率R和透过率T来表示它们之间的关系：光在固体中传播，强度发生衰减，遵从指数衰减率，光在固体中传播d距离后，光强的变化为：a为吸收系数。吸收系数a与消光系数k都表示物质的吸收,其关系为：吸收系数a与频率相关,a随频率的变化关系称为吸收谱朗伯定律(1)基本原理光波在吸收媒质中传播的理论基础是麦克斯韦方程。如只涉及电中性媒质，对于电场强度矢量E有下面的方程：ε0：μ0自由空间的介电常数和磁导率，ε，μ：媒质的相对介电常数和磁导率。磁场矢量H可获得类似的方程。光在吸收媒质中传播的经典描述E或H的一个分量的解可以写成则这

4、解满足方程式。如满足条件这里v=c/N，c是真空中的光速，N是媒质的复折射率，且N2＝εc＝εr-iεi，εc是媒质的复价电函数，εr和εi分别是其实部和虚部。考虑到自由空间中N＝1，ε＝1，μ＝1，σ＝0，则媒质中：复折射率N可表示为：n：通常意义下的折射率，k：消光系数。由此得出：这个表达式可看成表示一个频率为ω/2π的波，以速度c/n传播，且遭受衰减或吸收。因为电磁场的能流以玻印廷矢量表示，正比于电场和磁场矢量振幅的乘积，而两者都有exp(-ωkx/c)项，因此衰减为exp(-2ωkx/c)，媒质的吸收系数α为：均匀介质对光的吸收额和吸收介质厚度的关系遵从

5、朗伯定律：此定律是分光光度法测固体光谱的理论基础。光线入射在平行的透明薄板上时，在薄板内部将产生多次反射，在一些波长处会出现相长或相消干涉。如果进行透射光谱测量，就会得到一系列的条纹(薄膜干涉），由此可较准确地求得折射率。如果薄膜中存在吸收，条纹的衬度就会降低或消失，此时的光谱透射率表示为d：薄板厚度；R：光谱反射率（式中n2是膜的折射率）薄膜干涉测量光学参数(n，k)在半导体和介质的透射率测量中，一般k2<>R2，因此上式简化为：在上述类型实验中，只能在一些吸收微弱的材料，即试样的厚度只是1/α的几倍时，才能分别确定n和k。对于

6、一些吸收性强，光学性质近似于金属的材料而言，就必须测量偏振光的反射或测量相当宽波段的光谱反射率来求出n和k。光垂直入射时，反射波和入射波的振幅比是由上式可得：测得R、θn、kεr、εiθ：相移相移θ的获得：利用Kramers－Kronig关系，由测量得到的R(ω)推算相移谱θ(ω)。由(4.14)式，有：函数的实部和虚部有一定的互易关系：其中P表示科希积分主值：进行部分积分后，可得：上式表明，原则上在整个频率范围内进行光谱反射率的单独测量，就能确定任何频率的相位角。在实验上在有限波段测得的光谱反射率数据的基础上，进行适当的外推，然后利用(4.17)式，由计算机进

7、行数值积分求得相移角θ(ω),最后通过下式求得光学常数：基本原理－电子带间光学跃迁与光吸收的微观说明(参考黄昆《固体物理学》）图4-2典型的紫外、可见单光束和双光束分光光度计的光学系统(a)单光束分光光度计2.分析仪器对于通常的吸收光谱和反射光谱来说，常用的仪器是分光光度计。分光光电计主要由光源、单色仪、试样室和接收记录系统等部分组成。图4-2典型的紫外、可见单光束和双光束分光光度计的光学系统(a)双光束分光光度计紫外、可见光谱仪的设计一般都尽量避免在光路上使用透镜，主要使用反射镜，以防止由仪器带来的吸收误差；当光路中不可避免使用透明元件时，应选择对紫外、可见

8、光均透明的材料。仪器的进