材料進階實驗 - fcu.edu.t · Electronic Ceramic Lab. 簡介傅立葉轉換(Fourier transform...

Electronic Ceramic Lab.

傅立葉轉換紅外線光譜儀(FT-IR)

與電性量測分析實驗

授課老師:駱榮富

實驗助教:郭明傑(Jay)

材料進階實驗


1.檢查冷氣是否正常運作?

2.檢查除濕機是否正常運作?

3.檢查儀器狀況是否正常?

2

實驗前檢查事項

Electronic Ceramic Lab. 3

儀器在開機狀態時，左上方面板的四個指示燈(分別表示Power, Scan, Laser 和Source)應保持在亮

著的狀態，而Scan 之燈號會閃動。

儀器性能檢察


簡介

傅立葉轉換(Fourier transform instrument)光譜首先

被天文學家在1950年早期為研究遙遠星星的紅外線

光譜而發展的；唯有藉著傅立葉轉換才能將這些來

源的非常微弱的訊號自雜訊環境中分離出來。大部分的多重儀器是以傅立葉轉換來做訊號解碼，

故通常稱為傅立葉轉換儀器。此類型儀器並不侷限

於光學光譜上，亦曾被描述於核磁共振學、質譜學

以及某些種類的電分析量策上。

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1. 具有較少的光學元件且沒有狹縫來衰減幅射強

度，故到達偵檢器的輻射功率遠大於分散型儀

器，且有較大的訊號/雜訊比

2. 相當高的解析能力和波長再現性

3. 能在短時間內(常為1秒或更短)得到全光譜，因

為光源的所有單元均同時到達偵檢器

傅立葉轉換光譜法的優點

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電磁波之種類與波長區分

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紅外線光譜區

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區域波長範圍(λ) μm

波數範圍(ν) cm-1

頻率範圍(ν) Hz

近 0.78~2.5 12800~4000 3.8×1014~1.2×1014

中 2.5~50 4000~200 1.2×1014~60×1012

遠 50~1000 200~10 6.0×1012~3.0×1011

最常用 2.5~15 4000~670 1.2×1014~2.0×1013


單光束FTIR光譜儀

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雙光束FTIR光譜儀

：機械連線；：電子連線 9


NICOLET NEXUS 870 FT-IR 內部結構


FTIR 質譜儀非常快。花費大約一秒鐘的掃描，可以收集到從紅外線來源產生的所有頻率的訊號


FTIR基本原理

紅外線輻射的能量不像紫外光或可見光能引起電子躍遷。紅外線輻射吸收大致限定於分子內，此微小能差只存在於不同的振動及轉動能階之間。爲了吸收紅外線輻射，分子於振動或轉動時必須改變其淨偶極矩，只有在此情況下可改變與分子交互作用之輻射波電場，並造成振幅的改變。例如，分佈在HCl上的電荷是不對稱的，因為氯原子的原子密度比氫原子大，因此HCl有明顯的偶極矩，因此具有極性。偶極矩決定於電荷差之大小及二電荷中心之間的距離。當氯化氫分子振動時，偶極矩會有規則的變動，並有一可和電磁波電場交互作用之”場”產生。

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如果輻射線的頻率與分子自然振動的頻率相同，就會發生能量淨轉移並造成分子振動振幅改變，也就是輻射吸收的結果。相同的，非對稱分子對質量中心的轉動，造成週期性的極性變動，也能和輻射能交互作用。同核物種如O2，N2，或Cl2在振動或轉動時，沒有淨偶極矩變化，因此這類化合物不能吸收紅外線。除了少數這類化合物是屬例外，所有其他分子均能吸收紅外線輻射。

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FTIR基本原理


不對稱的

平面內交剪

不同平面扭轉

－＋

對稱的

平面內搖擺

不同平面的搖動－

＋＋

伸張振動

彎曲振動

＋：垂直出紙面

－：垂直入紙面 14

FTIR基本原理: 分子振動之類型


a-Si(200℃/24hr)之FTIR吸收光譜

非對稱Si-O-Si伸縮振動

對稱Si-O-Si伸縮振動

非對稱Si-O-Si彎曲振動

(波數)

(

吸收或穿透)

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FTIR基本原理:案例說明


鏡面反射(Specular Reflection)；

擴散反射(Diffuse Reflection) ；

內反射(Internal Reflection)；

調減全反射(Attenuated Total Reflection；ATR)。

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FTIR基本原理: 信號輻射的反射類型


當反射介質為光滑磨光的表面，鏡面反射則會遭遇。此處，反射角與輻射的入射角相同。如果表面是由紅外線吸收物所構成則被吸收的波長的反射相對強度較未被吸收的波長的反射強度為小。

因此，反射度(R)對波長或波數作圖可提供化合物的光譜，此光譜與穿透光譜的外觀相似。R為反射輻射能對入射輻射能的分率。鏡面反射光譜對固體的光滑表面或覆膜固體的示性與檢驗有某些用途，但比擴散反射及全反射光譜較不被普通使用。因此，實

驗將著重於ATR。

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FTIR基本原理


FTIR 操作步驟


進入操作系統


進入設定視窗


慢慢的加入液態氮


能量太強則加上衰減片


能量峰值在11-16之間最佳


設定需要的掃描次數和解析度


先掃描背景


放上試片開始掃描


得到光譜圖


本實驗三種量測法

1.穿透式將試片直接以紅外線穿透量測；可獲得較佳數據但須透光性佳且試片製作不易。

2.調減全反射(ATR) 對於難處理的樣品，如薄膜、絲線、粉末、難溶的固體，獲得紅外光譜的一種技巧。

3.擴散反射紅外線傅立葉轉換光譜法(DRIFT) 是直接對粉末樣品或取紅外線光譜的一種有效方法，此法僅需最小的樣品準備過程。除了可節省樣品時間外，也允許對不大改變原來狀態的樣品收集傳統的紅外線光譜資料。

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減弱全反射的原理是利用電磁波通過折射率(refraction index）分別為n1及n2的不同介質（n1＞n2）之界面時，向較高折射率的一方彎曲，如果入射角（incident angle）較臨界角（critical angle）為大時，即發生全反射（total reflection），如下圖所示。

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ATR原理


若入射波通過介質後，在輻射波長下吸收了能量，使得反射波束所含的能量較入射波束能量少，由波長來觀察將可產生一吸收譜，此種現象稱為減弱全反射。減弱全反射-傅立葉轉換紅外線光譜儀便是利用此方法來分析材料表面分子結構之振動行為，如下圖所示。

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IR / FTIR 樣品處理及測定試料測定槽概述

(1) 一般鹵化鹽結晶最為常用，其有廣大的透明區域、折射率小、劈開性顯著、不耐熱衝擊，有潮解性，故水溶液或水份多之樣品不適用。取用時須注意勿使窗板模糊。

(2) 水溶液、乳狀物、或含水份多之樣品，應使用As2Se3、LiF、CaF2，AgCl等窗板。

(3) As2Se3、AgCl、KRS-5*，KRS-6* 等因折射率大，在液體用固定式Cell使用時易起干射與樣品之吸收混雜，而易產生誤判。對於液體用固定的使用雖然範圍上有些限制，但CaF2仍算不錯的。

(4) As2Se3對強酸或強鹼水溶液很方便，但溶於濃硝酸生成亞砒酸，而有毒性應注意之。

(5) KRS-5 (TlI-TlBr的結晶) 較柔，折射率大常用ATR法，因含Tl故有毒性須小心使用。

(6) CsBr、CsI，PE用於遠紅外線區之測定。 (7) 此等窗板應保存在乾燥器內，特別是具有潮解性之鹵化鹽CsBr，

CsI等。

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一般常用窗板之使用波數範圍及特性

*KRS: Kristall aus dem Schmekfluss 32

材質可用波數備註 NaCl 可見光-650(cm-1) 潮解性 KBr 可見光-400 潮解性 KCl 可見光-550 潮解性

As2Se2 近紅外光-650 耐水性、耐酸 KRS-5* 可見光-250 成分有毒，TlBr44％、

TlI 56％ KRS-6* 可見光-280 成分有毒，TlBr30％、

TlI 70％ AgCl 可見光-280 感光性 LiF 可見光-1400 耐水性

CaF2 可見光-800 耐水性 CsBr 可見光-250 潮解性 CsI 可見光-200 潮解性 PE 700-遠紅外光遠紅外光用


測定槽種類

(1)組合式液槽 (Demountable Cell)：Demountable Beta-Cell 用於 1液體樣品溶膜法 2固體樣品paste法

(2) 組合注入式液槽 (Demountable Liquid Cell with inner fitting)：SL-2 Precision Sealed Liquid Cell 用於液體樣品液膜法，易清洗易注入適合一般定性液體及揮發性液體。因厚度精確度差，不做定量測定。

(1) 組合式液槽 (2) 組合注入式液槽

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(3) 固定式液槽 (Sealed Liquid Cell )： SL-3 Sealed Liquid Cell 密封性佳，厚度精確，為定量用液槽及揮發性液體之測定。

(4) 氣體測定槽

一般氣體用液槽約 5 ~ 10cm長，但分析高純度中微量不純物或非常稀薄之氣體測定時，則需用特別長之氣體測定槽。

(3) 固定式液槽 (4) 氣體測定槽

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液體樣品測定法

溶液法是將樣品以適當的紅外光譜用溶劑溶解後，注入液體用固定式或附注入口組合式液槽內測定。此方法比其他方法之優點為： 1. 吸收光譜的波形比較尖銳，分離較好。 2. 再現性好，故適用於定量分析。但因為紅外光譜用溶劑本身有很強的吸收，故如想測定樣品整個範圍的光譜時，非使用數種溶劑測定不可。紅外光譜用溶媒，需其本身吸收少，溶解力大，而溶媒效應小及反應少者，又須考慮不會侵蝕鹵化鹽鹽片；故一般為無極性，又不含氫原子之二氧化硫，四氯化碳及極之弱氯仿等。其他如 cyclo-hexane, benzene, diozane 及THF等也可使用。

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溶液法


固體試料測定法

此法乃將微量之試料以KBr粉末混合研磨，置於錠劑成型器內，抽真空下加壓使成透明錠劑，然後測定之。此法廣泛地被使用著，因為KBr在4000 ~ 400cm-1之間都沒有吸收故可得完整之吸收光譜。

特點： 1. 少量之試料即可測 (1~2 mg)。 2. 可以測得全部範圍之吸收光譜。 3. 如果注意試料之粒度，則散亂光少，可得尖銳之吸收光譜。 4. 使用過之錠劑可以保存，再測定之。

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KBr錠劑法


1.傅立葉轉換光譜法FTIR的優點? 2.哪一類化合物不能吸收紅外線?Why? 3.本實驗有哪三種實驗方法?

實驗報告問題

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