光声光谱的理与应用-李子忠.ppt

光声光谱的原理及应用 光学工程 李子忠 6121203010 主要内容 1.光声光谱原理 2.光声光谱应用 1、光声光谱原理 光声光谱测试的物理基础是光—声效应，其测试原理图如下：（来自文献：许倩雯，袁骏，季振国，等.材料科学与工程[J].1999,17(4):80） 1.光声光谱原理 在测试过程中, 样品被放在一个密封气室(即光声池Photo - acoustic cell)内, 在光声池内同时配置一高灵敏度的传声器。样品被脉冲单色光照射, 吸收光中的能量, 样品内一部分能级会被激发, 激发的能级随即会产生无幅射弛豫现象, 由此产生热效应。这样周期性的光激励就会在样品及其周围空气中产生周期性热流, 反过来, 周期性热流又导致了样品晶格的周期性振动, 这种振动在样品- 气体界面上产生声压扰动, 通过空气传播, 高灵敏度的传声器就能检测到由此引起的声信号。因为声信号的强度与样品吸收光的能量成正比, 所以我们记录传声器声信号随激励光波长的变化就可以得到光声光谱。另外, 考虑到只有被吸收的光才能产生声信号, 散射光在此就可以忽略, 因而可以提高测试的信背比。 2.光声光谱应用 光声光谱的应用十分广泛，主要有三个方面，即整体研究、表面研究和去激化研究。 2.1整体研究 当固体物质具有反射率不高的表面时，用光声光谱可以提供关于整体自身的光学数据，研究它们对光的吸收性质。甚至高度不透明或高度散射的试样，如绝缘体、半导体、金属体系，或半固体的生物组织，用通常的反射光谱法无法研究，但用光声光谱法却可以研究。 图2.线链一维导体K2Ir2（CO4）Cl5的光声光谱 图2是线链一维导体K2Ir2（CO4）Cl5的光声光谱。这个化合物类似许多其他一维导体，只能以细粉状形式存在，因而不容易用通常的光谱法加以研究。图2表示，在K2Ir2（CO4）Cl5中的无定位导带是一个强而宽的红外吸收带，在紫外一可见光区的吸收带是由定位的Ir离子跃迁引起的。用光声光谱研究这类不寻常化合物的吸收光谱，以获得关于它们的电子结构的新资料，已引起人们很大兴趣。 对半导体材料，用光声光谱可以直接观测到直接和间接带的跃迁，图3、图4为光声光谱研究半导体材料的一些例子。（图3来自文献：Adams M.J.et al.，Analyst，101，1199(1976)73；图4来自文献：Rosene waigA.，Anal.chem.，47，6(1975)592A） 图3是三种粉末状的直接禁带的半导体CdSe、CdS、ZnS的光声光谱图。由光声光谱弯曲边缘部位确定的禁带值分别为1.75、2.4和3.7eV，与文献值1.5、2.4和3.6eV十分吻合。图4为间接跃迁半导体GaP的光声光谱图，由光声光谱测得的禁带值2.80eV与文献值2.78ev也非常吻合。在低温和采用高分辨率光谱仪条件下，光声技术还用来研究晶体粉末或无定形半导体中由杂质、掺杂物或其他效应所产生的激子和光谱精细结构.光声光谱对研究粉末状或无定形的有机半导体及玻璃半导体也很有用。 图5是光声光谱研究绝缘体Cr2O3的例子（来自文献：A.罗森威格著，王耀俊等译.光声学和光声谱学.北京:科学出版社，1986.161.201~205，216~235） 其中曲线a表示Cr2O3粉末在300k归一化的光声光谱，b是厚度为4um的Cr2O3晶体在300k的吸收光谱，c是Cr2O3粉末在300k的漫反射光谱。从光谱图中都观察到Cr3+离子在600nm和460nm的两个晶体场谱带，光声谱比漫反射谱分辨得更清楚。 图6.近红外光声光谱 (a)粉状纯高岭土(b)胱氨酸 许多试样在紫外一可见光范围没有吸收，而在近红外区却有特征的光声光谱。地球化学样品纯高岭土H4Al2Si2O4(不规则的)和生物化学样品氨基酸一胱氨酸在红外光谱范围内具有几乎所有的吸收带，不论是泛音或综合带，包括氢的伸张振动。纯高岭土的光声光谱如图6(a)所示，其中1.4和1.9um的吸收带是游离的、非离解的水的吸收带，而2.2um的谱带表示OH的综合带。图6(b)表示胱氨酸红外光声光谱，1.4和1.9um吸收带仍然是由样品中杂质水引起的。1.7um的吸收带是一NH或一CH伸张振动的特性。 图7.有与没有抗菌剂TCSA存在的豚鼠表皮的PAS图的比较（来自文献RosenewaigA:AnalChem1976，47(4):592A） TCSA为高效抗菌剂，但易致光敏症及其他皮肤病，其原因尚不十分明了;(b)曲线是对照组的豚鼠表皮的PAS图;(c)曲线是(a)、(b)的差别光谱(Difference spectrum)。从图7可推知，TCSA与表皮内部已相互结合，这可能是TCSA产生上述副作用的一个原因。 2.2表面研究 用光声光谱研究金属、半导体和绝缘体表面的吸附和