Overview
Quelle: Labor von Dr. Ryoichi Ishihara, Delft University of Technology
Raman-Spektroskopie ist eine Technik zur Analyse Schwingungs und andere niedrige Frequenz-Modi in einem System. In der Chemie ist es verwendet, um Moleküle zu identifizieren durch Fingerabdruck Raman. In Festkörperphysik wird es verwendet, um Materialien und vieles mehr speziell zu untersuchen, ihre Kristallstruktur oder Kristallinität zu charakterisieren. Im Vergleich zu anderen Techniken für die Untersuchung der Kristallstruktur (z.B. Transmissions-Elektronenmikroskop und x-ray Diffraction) Mikro-Ramanspektroskopie erfolgt zerstörungsfrei, in der Regel erfordert keine Probenvorbereitung und auf kleinen Probenvolumina durchgeführt werden kann.
Für die Durchführung von Raman ist Spektroskopie eine monochromatische Laser auf eine Probe schien. Wenn erforderlich, die Probe durch eine durchsichtige Schicht, die nicht Raman-aktiv (z. B. SiO2) beschichtet werden kann oder in DI Wasser gelegt. Die elektromagnetische Strahlung (in der Regel im Nahen Infrarot, sichtbar, oder in der Nähe von UV-Bereich) aus der Probe wird gesammelt, die Wellenlänge des Lasers ist (z. B. durch eine Kerbe oder Bandpass-Filter) herausgefiltert und das resultierende Licht wird durch einen Monochromator (z. B. Gitter) gesendet, um einen CCD-Detektor. Damit die unelastischen Streulicht, aus Raman Streuung, können erfasst und verwendet, um das Raman-Spektrum der Probe zu konstruieren.
Im Falle von Raman durchläuft Mikro-Spektroskopie das Licht ein Mikroskop vor Erreichen der Probe, so dass sie auf einer Fläche so klein wie 1 µm2fokussiert werden. Dies ermöglicht genaue Zuordnung eines Musters oder der konfokalen Mikroskopie um Stapel von Schichten zu untersuchen. Dabei muss getroffen werden, jedoch, dass die kleine und intensiven spot laser Probe schadet nicht.
In diesem Video werden wir kurz erklären, das Verfahren zur Erlangung einer Raman Spektren, und ein Beispiel für ein Raman-Spektrum erfasst von Kohlenstoff-Nanoröhren erhalten.
Principles
Raman-Spektroskopie hängt Raman Streuung, die die inelastische Streuung eines Photons mit Niederfrequenz-Modi (z. B. Schwingungs oder Rotations-Modi) in einem System von Atomen oder Molekülen. Dies steht im Gegensatz zu IR-Spektroskopie, die die Absorption von IR-Licht von Niederfrequenz-Modi in einem System abhängig. Beide Techniken informieren ähnlich, aber komplementären. Das bedeutet jedoch nicht, dass Schwingungs Funktionen Raman und IR 'aktiv' sind, d. h. sie erscheinen, wenn sondiert. Für Moleküle ist eine Schwingung Raman-aktiv, wenn es eine Änderung Polarisierbarkeit, bewirkt während für IR-Spektroskopie eine Schwingung sichtbar ist, wenn es eine Änderung im Dipolmoment führt. Dies bedeutet, dass für die Raman-Spektroskopie keine permanente Dipolmoment erforderlich ist. Für Moleküle mit einem Zentrum der Symmetrie sind beide spektroskopischen Methoden gegenseitige exklusiv. Polare Bindungen geben in der Regel ein schwaches Raman-Signal, während neutrale Anleihen in der Regel Raman-intensiv sind, wie sie eine große Änderung in Polarisierbarkeit bei Vibrationen beinhalten. Schließlich sind zwei Nachteile der IR-Spektroskopie, dass Wasser nicht als Lösungsmittel verwendet werden und Probenvorbereitung komplexer ist. Ein Raman-Spektroskop ist jedoch teurer.
Das emittierte Photon nach der Streuung hat eine niedrigere oder höhere Frequenz als das einfallende Photon, genannt Stokes und Anti-Stokes-Streuung, beziehungsweise. Stokes und Anti-Stokes-Linien haben die gleiche Verschiebung in der Energie, aber ihre Größe unterscheidet sich je nach zum Beispiel die Substrattemperatur. Für Moleküle interagieren die Photonen mit den Anleihen und Schwingungen in einem Molekül, die sensibel auf die Wellenlänge des verwendeten Lasers. Dies bewirkt, dass das Molekül in einem virtuellen Energiezustand für eine kurze Zeit verlassen werden, woraufhin es inelastisch ein Photon emittiert. Im Falle einer Solid-State-Materialien schafft das eingehende Photon und Elektron-Loch-paar, können die mit einem Phonon im Kristallgitter streuen. Ein Phonon ist ein Quasiteilchen, die eine kollektive quantisierten Schwingungs-Bewegung in ein Gitter von Atomen oder Molekülen in kondensierter Materie beschreibt. Nach diesem Ereignis Streuung der Elektron-Loch Paare zerfällt und emittiert ein Photon mit einer verschobenen Frequenz.
Das Spektrum dieser gestreuten Photonen ist das Raman-Spektrum, das die Intensität der gestreuten Photonen gegen die Frequenzdifferenz (gemessen in Spektrometern mit Einheiten cm-1) zeigt die einfallenden Photonen. Spitzen erscheinen nur in das Raman-Spektrum, wenn Schwingungs-Modi in das System empfindlich auf die Wellenlänge des Lasers verwendet reagieren, und ihre Intensität und Lage zwischen Laserwellenlängen unterscheiden können. In der Regel die Gipfeln fallen in einem Umkreis von 500 – 2.000 cm-1und höhere Auftragsspitzen finden Sie rund um ein Vielfaches von der Wellenzahl von erster Ordnung Raman Peak. Die Intensität der Gipfel hängt von vielen Faktoren ab, einschließlich der Befugnis des Lasers, Fokus, Erfassungszeit und die Wahrscheinlichkeit der Streuung auftreten. So Intensitäten zwischen Spektren nicht direkt verglichen werden, und sollte immer in Intensitätsverhältnis umgewandelt werden. Die voller Breite am halben Maximum (FWHM) eines Peaks kann direkt zwischen verschiedenen Messungen verglichen werden.
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Procedure
- Schalten Sie die erforderliche Laser und wählen Sie die richtige Optik für die verwendete Wellenlänge. Lassen Sie den Laser aufwärmen zu einer stabilen Emission im Laufe der Zeit.
- Führen Sie die erforderliche Kalibrierung des Raman-Spektroskop. Dies ist das Instrument abhängig, aber hier eine interne Si Referenzprobe wird verwendet, um die Raman-Verschiebung in die bekannte Position des kristallinen Si Raman Peak zu kalibrieren. Si wird häufig verwendet, da es eine starke scharfe Spitze an einer bekannten Stelle gibt, die unempfindlich gegen die Wellenlänge des Lasers ist. Zunächst wird das Raman-Spektrum von der Referenzprobe erhalten eine angemessene Belichtung Energie und Zeit. Die Wellenzahl der erhaltenen Spektrum ist im Vergleich zu Werte aus der Literatur (in dem Fall für Si, die eine starke Spitze bei 520.7±0.5 cm-1 zu beachten). Im Falle einer Diskrepanz muss die Position des CCD in Bezug auf den Monochromator (oft ein Gitter) geändert werden. Die meisten im Handel erhältlichen Raman-Tools gehören Kalibrierroutinen um dies zu erreichen.
- Legen Sie die Probe unter dem Mikroskop und dem Fokus auf die Schicht, die untersucht werden muss. Im Allgemeinen wird eine schließen-in der Lage dunkle Gehäuse verwendet, um Streulicht zu entfernen. Stellen Sie sicher, dass der Pfad des Lasers durch Licht absorbieren oder Raman aktive Schichten, um eine saubere Spektrum zu erhalten nicht behindert wird. In der Literatur Raman Spektren finden Sie viele Materialien entnommen, kann die verwendet werden, um festzustellen, welche Materialien das Experiment beeinflussen könnten. Wenn unbekannte Gipfel neben den Gipfeln bekannt, stammen aus der Probe angezeigt werden, können sie entweder durch kosmische Strahlung (die in der Regel nur ein paar Ritz breit und sehr intensiv) oder andere Schichten stören die Messung. Wenn die Schicht gegenüber der Dämpfung Länge des Lasers in das Material dünn ist, ist es wahrscheinlich, dass das Substrat unter auch sondiert werden.
- Wählen Sie den Bereich von Spektrometern, die durch den Monochromator gescannt werden sollen. Dies ist höchst probieren angewiesen. In der Regel in der Literatur die Regionen, an dem die interessierten Raman-Gipfel erscheint, finden. Für völlig unbekannte zahlreiche Proben (z. B. 100-2.000 cm-1() Test Scan durchgeführt werden kann. Erweiterte Scans werden aber mehr Zeit verbrauchen. Wählen Sie eine Laserintensität ausreichendes Signal erzeugt, aber die nicht schädigen des Kristallgitters des Materials (z. B. wenn amorphe Si untersucht ist ein high-Intensity-Laser kann kristallisieren die Probe). Dies kann durch bildgebende derselben Stelle zweimal überprüft werden, wenn der Spektrum Änderungen Schaden eingetreten sein könnte. Wenn das Signal zu schwach ist, kann die Belichtungszeit erhöht werden.
- Das Spektrum der Probe zu erwerben. Dies in der Regel durch das Instrument erfolgt automatisch beim Scannen der Monochromator und die CCD-Ausgabe zu lesen. Ohne Hintergrund, die Scans müssen durchgeführt werden, wenn die Probe in einem völlig dunklen Gehäuse, wird sonst Streulicht die Messung beeinflussen.
- Die Daten, die mittels geeigneter Software zu untersuchen und mit Hilfe der Literatur. Dazu gehören die Entfernung der kosmischen Strahlung, die als sehr scharf und intensiv Linien im Spektrum angezeigt und können in der Regel vollständig entfernt... Interferenzen mit dem Substrat oder Verunreinigungen kann dazu führen, dass Basispläne, die entfernt werden können, durch den Einbau einer entsprechenden Kurve (z. B. lineare Linie oder Spline) in die Regionen des Spektrums die flach sein sollen (d. h. Raman Gipfeln mit Ursprung aus der Stichprobe nicht enthalten). Für einige Materialien der verschiedenen Raman können Spitzen erscheinen, so nah an einander, dass Peak Dekonvolution möglicherweise notwendig, für diese Überprüfung der Literatur auf das Material.
Raman-Spektroskopie nutzt die Streuung von Licht zu einzigartigen molekularen Informationen sammeln des Materials untersucht.
Trifft Licht auf ein Molekül, die meiste Energie wird nicht absorbiert, sondern streut auf die gleiche Energie wie das einfallende Licht. Allerdings scheint ein kleiner Bruchteil der Streustrahlung bei Energien abweichend von der einfallenden Strahlung.
Diese Verschiebungen in Energie entsprechen Schwingungs Staaten von Molekülen und können verwendet werden, um zu identifizieren, zu quantifizieren und untersuchen die molekularen Zusammensetzung der Probe unter Analyse.
Dieses Video wird die Theorie hinter dieser Technik einzuführen, zeigen eine Prozedur, um das gleiche im Labor durchführen und präsentieren einige der Möglichkeiten, in denen diese Methode in der Industrie heute angewendet wird.
Die Wechselwirkung von Strahlung mit einer Probe kann als Kollisionen zwischen Photonen und Molekülen betrachtet werden.
Eine eingehende Photon regt das Molekül zu einer kurzlebigen virtuelle angeregten Zustand aus dem wird es schnell zerfallen wieder in seinen Grundzustand und gestreuten Photonen emittieren. Wenn es kein Umtausch in Energie statt ist, ein gestreutes Photons hat die gleiche Wellenlänge als das einfallende Photon, und dies nennt man elastische Rayleigh-Streuung.
Raman-Streuung stellt Moleküle eine Schwingungs-Anregung oder Entspannung durch inelastischen Wechselwirkung mit Photonen. Wenn das Molekül aus einem Grundzustand eine virtuelle angeregten Zustand und Tropfen zurück zu einem höheren Energiezustand Schwingungs ausgelöst wird, hat es vom Photon Energie gewonnen. Dies nennt man auch Stokes Streuung.
Wenn ein Molekül in eine höhere Schwingungsenergie, Gewinne Energie und Tropfen wieder auf eine niedrigere Grundzustand, hat das Molekül Energie, um das Photon, verursachend Anti-Stokes-Streuung verloren. Bei Raumtemperatur, die Anzahl der Moleküle im Grundzustand ist höher als jene in eine höhere Energie verursacht Stokes staatliche Streuung zu intensiver und häufiger geprüft, als Anti-Stokes-Streuung.
Molekulare Schwingungen und Rotationen entstehen aus diesen Interaktionen mit einfallenden Photonen sind symmetrische und asymmetrische stretching, Scissors, Schaukeln, wedelte und verdrehen.
Diese molekularen Schwingungen sind nicht nur in der Raman-Spektroskopie verwendet, aber auch entlang Seite es mit anderen Techniken, wie Infrarot-Spektroskopie. Eine Schwingung ist "Raman-aktiv" "oder" nachweisbar durch Raman-Spektroskopie, wenn es eine Änderung in der Polarisierbarkeit oder die Stärke der Verzerrung, der seine Elektronenwolke verursacht. Eine Schwingung ist Infrarot-aktiv, wenn es eine Änderung in seiner Dipolmoment induziert.
Zum Beispiel symmetrische Strecken, wie Expansion in Kohlendioxid, Elektronen, von Kernen und werden leicht Kopfprodukt verursachen aber ändere nicht das Dipolmoment. Eine asymmetrische Strecke führt auf der anderen Seite, Änderung der Dipolmoment, aber keine Änderung der Polarisierbarkeit. Aus diesen Gründen werden Raman und Infrarot-Spektroskopie als komplementäre Methoden der chemischen Analytik behandelt.
Raman-Spektroskopie erfolgt durch eine intensive monochromatische Laser auf eine Probe scheint. Strahlung, die aus der Stichprobe wird gesammelt, und die Wellenlänge des Lasers wird herausgefiltert. Gestreute Licht wird durch einen Monochromator zu einem CCD-Detektor gesendet. Mikro-Ramanspektroskopie durchläuft der Laser ein Mikroskop vor Erreichen der Probe, so dass räumlichen Auflösung der Ebene der Mikron.
Das Raman-Spektrum einer Probe ist eine Darstellung der Intensität der Streustrahlung als Funktion der Verschiebung im Ritz von der einfallenden Strahlung. Spitze Formen und Intensitäten können molekulare Struktur, Symmetrie, Kristallqualität und Konzentration des Stoffes angeben.
Nun, da Sie die Theorie hinter dieser Methode zu verstehen, betrachten wir ein Protokoll zur Raman Microspectroscopy auf eine Probe durchführen.
Um den Vorgang zu starten, schalten Sie die erforderliche Laser und wählen Sie die richtige Optik für die verwendete Wellenlänge. Geben Sie den Laser 15 min zum Aufwärmen vor dem Beginn des Experiments. In der Zwischenzeit den Computer einschalten und die Gerätesoftware zu laden.
Wählen Sie die richtige Wellenlänge für den Laser verwendet. Führen Sie die erforderliche Kalibrierung des Raman-Spektroskop. Dies kann mit einem Silizium-Wafer auf den Mikroskoptisch gelegt, aber hier eine Referenzprobe interne Silizium verwendet. Das Raman-Spektrum erhält man eine angemessene Belichtung Energie und Zeit. Das Silikon sollte eine starke Spitze bei rund 520 Ritz geben.
Nach der Kalibrierung, legen Sie die Probe unter dem Mikroskop und dem Fokus auf der Ebene von Interesse. Eine dunklen Gehäuse wird verwendet, um Streulicht zu entfernen. Stellen Sie sicher, dass der Pfad des Lasers durch Licht absorbieren oder Raman-aktiven Schichten um ein sauberes Spektrum zu erhalten nicht behindert wird.
Wählen Sie den Bereich von Spektrometern, die durch den Monochromator gescannt werden sollen. Wählen Sie eine Laserintensität, die ausreichendes Signal erzeugt, aber nicht beschädigen das Material untersucht. Dies kann durch bildgebende derselben Stelle zweimal überprüft werden. Ändert sich das Spektrum, kann Schaden eingetreten sein.
Wenn die Probe in einem völlig dunklen Gehäuse, ist ein Hintergrundscan nicht erforderlich. Das Spektrum der Probe zu erwerben.
Die Daten, die mittels geeigneter Software zu untersuchen und durch den Vergleich mit der verfügbaren Literatur. Kosmische Strahlung erscheinen als scharf und intensiv Gipfeln, die entfernt werden müssen. Laser Interferenz mit bestimmten Substraten oder Verunreinigungen führen eine Grundlinie, die entfernt wird, durch den Einbau einer entsprechenden Kurve in die Regionen des Spektrums, die voraussichtlich nicht Raman Gipfeln mit Ursprung aus der Probe enthalten. Für einige Materialien, die unterschiedlichen Raman Spitzen Überlappung zu einem Grad, dass Peak Dekonvolution kann erforderlich sein.
Nachdem diese Schritte konkurrierten sind, werden daraus resultierende Spektren qualitative und quantitative Daten auf Arten, die in der Probe vorhanden vertreten.
Hier, wir untersuchen das Raman-Spektrum von Kohlenstoff-Nanoröhren, die sehr klein sind, hohl, ein- oder mehrschichtige Rollen Graphene Blätter. Das Raman-Spektrum von Multi-walled Carbonnanotubes mit 514 nm Laser genommen wird hier angezeigt.
Da Kohlenstoff-Nanoröhrchen von Kristallgittern vertreten sind, werden ihre Schwingungen durch kollektive Schwingung "Modi" dargestellt. Der G-Modus Peak bei 1.582 Ritz bezieht sich auf die sp2 hybridisierten Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung, die in jedem graphitische Material gefunden werden können. Es gibt auch ein prominenter D Peak 1.350 Spektrometern stellt Streuung, verursacht durch eine Störung im Kristallgitter. Das Verhältnis von der Intensität der G und D Modi quantifiziert die Strukturqualität der Nanotube.
Entwicklungen im Laser und Computer-Technologien haben die einst mühsame Raman-Spektroskopie eine der am häufigsten verwendeten Techniken für die chemische Analyse gemacht.
Solid Oxide Brennstoffzellen oder SOFCs, haben das Potenzial, eine wichtige Quelle für niedrige Emissionen Energie in den kommenden Jahrzehnten werden. Diese Zellen arbeiten indem Sie elektrochemisch die Energie der Brennstoff und Oxidationsmittel, in diesem Fall solid Oxide in Strom umwandeln. Es gibt noch einige Schwierigkeiten bei der Charakterisierung des elektrochemischen Mechanismus des Brennstoffzellen-Materialien in Situ. Allerdings ist Raman-Spektroskopie jetzt vermehrt komplizierte chemische Reaktionsmechanismen an der Anode zuordnen.
Kunstobjekte spektroskopisch untersucht, ihr Alter, Zusammensetzung, zu offenbaren und Bedingungen für den Naturschutz zu optimieren. Die nicht-destruktive Natur Raman Microspectroscopy macht es gut für diesen Zweck geeignet. Durch die Konzentration eines Lasers auf der Kunst-Probe und Plotten die Intensität des inelastisch gestreuten Lichts, erhalten Sie Spektren von Künstler Pigmente, Bindemittel oder Lacke. Raman-Spektroskopie wird auch verwendet, um die Fälschung von Kunstwerken zu identifizieren.
Sie sah nur Jupiters Einführung Raman-Spektroskopie für die chemische Analyse. Sie sollten jetzt verstehen die Prinzipien hinter die Raman-Wirkung und Anwendung, Raman-Spektroskopie, wie eigene Raman-Analysen im Labor, und einige der spannenden Möglichkeiten, in denen es in Branchen heute umgesetzt ist, durchführen.
Danke fürs Zuschauen!
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Results
Das Raman-Spektrum von Multi-walled Carbonnanotubes mit 514 nm Laser genommen ist in Abbildung 1dargestellt. Die lineare Baseline entfernt wurde und die Daten hat sich auf das intensivste Feature um 1.582 cm-1normalisiert worden.
Mehrere Gipfel können beobachtet werden, die ihren Ursprung in verschiedenen kristallinen Eigenschaften der Probe. Der D-Peak bei 1.350 cm-1 stammt Form Doppel Resonanz Phononen elastische Streuung mit einem Defekt im Kristallgitter. Der G-Peak (1.582 cm-1) bezieht sich auf die sp2 hybridisierten C-C-Bindung und kann in jedem graphitische Material gefunden werden. Diese starke Spitze verfuegt ueber eine Schulter auf der rechten Seite des Spektrums, das die d ' peak rund 1.620 cm-1. Dieser Gipfel ist wieder defekt im Zusammenhang.
Bei höheren Spektrometern können mehrere andere Gipfel beobachtet werden. Das G' (oder 2D) Höhepunkt etwa 2.700 cm-1 ist der Oberton der D-Band und wird durch zwei unelastischen Phonon Streuung Prozesse verursacht. Aus diesem Grund es braucht keine Mängel und hohe kristalline Proben entnehmen. Das gleiche gilt für die 2D "band etwa 3.240 cm-1und ist der Oberton des D' Band. Schließlich ist die D + G um 2.930 cm-1 der kombinierte Oberton der D und G Band.
Abbildung 1: Raman-Spektrum von Multi-walled Carbonnanotubes. Das Spektrum erhielt mit einem 514 nm-Laser, die linearen Grundlinie durch Anpassung an die flachen Bereiche des Spektrums entfernt wurde und das Spektrum ist der G-Peak normalisiert.
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Applications and Summary
Raman-Spektroskopie kann in den unterschiedlichsten Bereichen, von (Bio-) Chemie bis hin zu Festkörperphysik angewendet werden. Raman-Spektroskopie ist in der Chemie lässt sich untersuchen, Veränderungen der chemischen Bindungen und spezifische (organischen oder anorganischen) Moleküle mithilfe ihrer Raman-Fingerabdruck zu identifizieren. Dies kann in entweder der Gas, Flüssigkeit oder Solid-State-Phase des Materials erfolgen. Es wurde, zum Beispiel in der Medizin verwendet, um die Wirkstoffe von Drogen, zu untersuchen und Raman Gasanalysatoren zur Echtzeit-Überwachung der Atemgase während der Operation verwendet werden.
In Festkörperphysik Raman wird Spektroskopie verwendet, um Materialien zu charakterisieren und bestimmen ihre Kristallorientierung, Zusammensetzung, Druck, Temperatur und Kristallinität. Es wurde verwendet, um Mineralzusammensetzungen zu identifizieren und in forensischen Spur Beweis Analysen verwendet werden kann. Es ist auch möglich, Plasmonen, zu beobachten und anderen niederfrequenten Erregungen des Volumenkörpers mittels Raman-Spektroskopie. Speziell für graphitische Werkstoffe wurde es eingesetzt, die Kristallinität, der Durchmesser des ein- und doppelwandige Nanoröhren und ihre Chiralität zu untersuchen. Für Graphen kann es auch verwendet werden, um die Anzahl der Graphene Schichten zu identifizieren.
Ein großer Vorteil der Raman-Spektroskopie gegenüber anderen spektroskopischen Methoden ist, dass es in der Regel erfordert keine Probenvorbereitung wenn Sie auf die Probe mit einem Mikroskop können µm Größe Proben analysieren kann, erfordert keinen Kontakt und zerstörungsfrei.
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