傅里叶变换红外光谱仪

-1-傅里叶红外光谱仪（FTIR）(仅供参考)一．实验目的：1．了解FTIR的工作原理以及仪器的操作。2．通过对多孔硅的测试，初步学会分析方法。二．实验原理：1．傅里叶红外光谱仪的工作原理：FTIR光谱仪由3部分组成：红外光学台（光学系统）、计算机和打印机。而红外光学台是红外光谱仪的最主要部分。红外光学台由红外光源、光阑、干涉仪、样品室、检测器以及各种红外反射镜、氦氖激光器、控制电路和电源组成。下图所示为红外光学台基本光路图。傅里叶变换红外光谱是将迈克尔逊干涉仪动镜扫描时采集的数据点进行傅立叶变换得到的。动镜在移动过程中，在一定的长度范围内，在大小有限，距离相等的位置采集数据，由这些数据点组成干涉图，然后对它进行傅立叶变换，得到一定范围内的红外光谱图。每一个数据点由两个数组成，对应于X轴和Y轴。对应同一个数据点，X值和Y值决定于光谱图的表示方式。因此，在采集数据之前，需要设定光谱的横纵坐标单位。红外光谱图的横坐标单位有两种表示法：波数和波长。通常以波数为单位。而对于纵坐标，对于采用透射法测定样品的透射光谱，光谱图的纵坐标只有两种表示方法，即透射率T和吸光度A。透射率T是由红外光透过样品的光强I和红外光透过背景（通常是空光路）的光强I0的比值，通常采用百分数（％）表示。吸光度A是透射率T倒数的对数。透射率光谱图虽然能直观地看出样品对红外光的吸收情况，但是透射率光谱的透射率与样品的质量不成正比关系，即透射率光谱不能用于红外光谱的定量分析。而吸光度光谱的吸光度值A在一定范围内与样品的厚度和样品的浓度成正比关系，所以大都以吸光度表示红外光谱图。本实验运用的仪器是Nicolet380智能傅立叶红外光谱仪。2．傅里叶红外光谱仪的主要特点：⑴具有很高的分辨能力，在整个光谱范围内分辨能力达到0.1cm-1。⑵具有极高的波数准确度，波数准确度可以达到0.01cm-1。⑶杂散光的影响度低，通常在全光谱范围杂散光影响低于0.3％。⑷扫描时间短，可以用于观测瞬时反应。⑸可以研究很宽的光谱范围。本实验仪器波数范围为400cm-1～4000cm-1。FTS检测器干涉仪光源样品室计算机干涉图光谱图-2-⑹具有极高的灵敏度。⑺适合于微小试样的研究。光束截面约1mm，适合微量、单晶、单纤维等小样的测量。3．傅里叶红外光谱仪的应用范围：根据红外光谱的吸收峰位置、形状和强度可以进行定性分析，推断未知物的结构，适合于鉴定有机物、高聚物以及其他复杂结构的天然及人工合成产物。在生物化学中还可以用于快速鉴定细菌、甚至细胞和其他活组织的结构等的研究。根据吸收峰的强度可以进行定量分析。在半导体工业中，由红外光谱可以对半导体中的化学键和杂质等进行非破坏性的验证。本实验通过在空气和在臭氧中制得的多孔硅样品FTIR谱的比较，通过比较、计算，最后得出SiOx氧化率等参数。三．实验数据处理。1．硅基底与多孔硅样品的比较：0500100015002000250030003500400045000102030405060708090100110120IR%TransmittanceWavenumber/cm-1SiliconSubstratePS-Silicon10Mininair1054.9232247.883419.34上图为原始硅衬底和10min在空气中制得的多孔硅样品透射谱的比较。比较并标峰发现多孔硅样品在波数为1054.923cm-1、2247.88cm-1、3419.34cm-1三处的透射率有显著的不同，通过查表可知，相应的特征吸收基团为Si—O、Si—H和Si—OH系列基团。这就意味着在多孔硅制造工艺中发生的变化主要是表面的硅与氧或氢键合，而根据多孔硅的发光机制知光致发光主要由硅氧化合物引起，因此工艺中添加酒精溶剂为了减少硅与氢的键合由此而来。2．不同条件下制得的多孔硅样品的比较：上图是在空气和O3环境下制得的多孔硅样品的FTIR吸收特征谱，比较两图像可以发现谱线的特征峰位置基本一致，只是谱峰面积大小不同。理论上对应2042cm-1～2314cm-1的特征峰是一系列硅-氢键伸缩模：Si—H伸缩模（2090cm-1），Si—H2伸缩模（2116cm-1），Si—H3伸缩模（2140cm-1），H—SiO2Si伸缩模（2193cm-1）以及H—SiO3伸缩模（2258cm-1）。对应1105cm-1的吸收峰则是Si—O—Si伸缩模。考虑到仪器系统误差和样品放置过久被氧化的因素，样品表面的Si—H键被空气中的氧打断，形成H—SiO2Si和H—SiO3，因而基本看不到Si—Hx特征峰。而2247.88cm-1应为H—SiO2Si和H—SiO3的拟和，1054.923cm-1的吸收峰是Si—O—Si伸缩模，3419.34cm-1的吸收峰是Si—OH伸缩膜。-3-0500100015002000250030003500400045000.00.20.40.60.81.01.2IRAbsorbance/a.u.Wavenumber/cm-1PS-Si10MininairPS-Si10MininO31054.9232247.883419.343．多孔硅样品氧化度的计算：样品表面的氧化物是不完全氧化硅SiOx，将SiOx键的IR吸收峰进行2个高斯分峰拟合，如图所示，其中主峰归因于Si—O—Si的同相伸缩膜的吸收谱，而高能肩峰则对应于Si—O—Si的反相伸缩膜的吸收谱，高能肩峰随着氧浓度下降逐渐向主峰融合。肩峰边缘的吸收值（I2，如图所示）与主峰吸收峰值（I1）的比值R来表征高能肩峰。R与x的线性关系为：x＝－3.68R＋3.58。由此我们可以计算10min在空气中和O3环境下制得的两个样品的SiOx中的x值。具体计算如下：95010001050110011501200125013000.00.20.40.60.81.0Data:SUB11_CModel:GaussEquation:y=y0+(A/(w*sqrt(PI/2)))*exp(-2*((x-xc)/w)^2)Weighting:yNoweightingChi^2/DoF=0.00067R^2=0.9924y00?xc11060.22616?.64698w164.17522?.00414A167.56883?.35127xc21152.42107?.94256w2104.62734?.04743A274.16332?.50634IRAbsortance/a.u.Wavenumber/cm-1I1I2PS-Silicon10Mininair-4-950100010501100115012001250-0.10.00.10.20.30.40.50.60.7Data:SUB11_HModel:GaussEquation:y=y0+(A/(w*sqrt(PI/2)))*exp(-2*((x-xc)/w)^2)Weighting:yNoweightingChi^2/DoF=0.0001R^2=0.99721y00?xc11069.77186?.30928w159.67894?.77686A139.85828?.35145xc21154.81768?.72674w2115.44036?.72671A253.1915?.50739IRAbsortance/a.u.Wavenumber/cm-1I1I2PS-Silicon10MininO3综上，从多孔硅的SiOx态总量及膜的氧化程度两方面的数据计算显示：两样品氧化物的氧化程度相差不大，改进法样品会大些。猜测硅的SiOx态总量是引起多孔硅发光机制的主要因素，但由于样品置放时间过长，无法进一步确定。样品数据吸光度I1吸光度I2R=I2/I1X=-3.68R+3.58In—air0.97020.60080.61931.300In—O30.66570.39520.59371.395