材料科学与工程基础实验(二)

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1、实验一薄膜光学性能的测试一、实验目的1.了解紫外-可见分光光度法的基本原理及主要功能。2.掌握吸光度、透光度和吸光系数的基本概念。3.掌握拉曼光谱的基本原理。4.掌握谱图数据处理的方法。二、实验原理（一）紫外-可见分光光度法的基本原理紫外-可见分光光度法(ultraviolet-visiblespectrophotometry,UV-VIS)是利用物质的分子或离子对某一波长范围的光的吸收作用，对物质进行定性分析、定量分析及结构分析,所依据的光谱是分子或离子吸收入射光中特定波长的光而产生的吸收光谱。按所吸收光的波长区域不同，分为紫外分光光度法和可见分光光度法，合

2、称为紫外-可见分光光度法。物质对光的吸收是选择性的，利用被测物质对某波长的光的吸收来了解物质的特性，这就是光谱法的基础。通过测定被测物质对不同波长的光的吸收强度（吸光度），以波长为横坐标，吸光度为纵坐标作图，得出该物质在测定波长范围的吸收曲线。无机化合物的紫外-可见吸收光谱主要是由于：1）f电子跃迁吸收光谱，镧系和锕系元素的离子对紫外和可见光的吸收是基于内层f电子的跃迁而产生的。2）d电子跃迁吸收光谱，过渡金属的电子跃迁类型为d电子在不同d轨道间的跃迁，吸收紫外或可见光谱。3）电荷迁移光谱，某些分子既是电子给体，又是电子受体，当电子受辐射能激发从给体外层轨道向

3、受体跃迁时，就会产生较强的吸收，这种光谱称为电荷迁移光谱。紫外可见分光光度计有单光束和双光束两种。这里简单介绍一下天津港东UV-3501s单光束型的紫外可见分光光度计的结构，如图1-1所示。9图1-1紫外可见分光光度计的结构其中：光源提供能量激发被测物质；单色器将来自光源的连续光谱按波长顺序色散，并从中分离出一定宽度的谱带，获得所需单色光；吸收池用于盛放溶液并提供一定吸光厚度；检测器负责检测光讯号，并将光讯号转变为电讯号；讯号处理及显示器：迅号放大、数学换算。（二）朗伯-比尔定律当一束平行单色光通过含有吸光物质的稀溶液时，溶液的吸光度与吸光物质浓度、液层厚度乘

4、积成正比，即A=κCL式中比例常数κ与吸光物质的本性，入射光波长及温度等因素有关。C吸光物质浓度，L透光液层厚度。朗伯-比尔定律是紫外-可见分光光度法的理论基础。设入射光强度为I0，吸收光强度为Ia,透射光强度为It，反射光强度为Ir，则I0=Ia+It+Ir由于反射光强度基本为零，上式可简化为：I0=Ia+It透光度为透过光的强度It与入射光强度I0之比，用T表示：即T=It/Io吸光度为透光度倒数的对数，用A表示，即A=lg（1/T）=lgI0/It当L的单位为cm，C以g/L为单位，κ称为吸光系数，用a表示。a的单位为L/(g.cm)。（三）拉曼光谱的基

5、本原理一束单色光入射于试样后有三个可能去向：一部分被透射；一部分被吸收；还有一部分光则被散射。拉曼光谱为散射光谱。当一束频率为ν0的入射光照射到气体、液体或透明晶体样品上时，绝大部分可以透过，大约有0.1％的入射光与样品分子之间发生非弹性碰撞，即在碰撞时有能量交换，这种光散射称为拉曼散射；反之，若发生弹性碰撞，即两者之间没有能量交换，这种光散射，称为瑞利散射。在拉曼散射中，若光子把一部分能量给样品分子，得到的散射光能量减少，在垂直方向测量到的散射光中，可以检测频率为(ν0–ΔE/h)的线，称为斯托克斯(Stokes)线，如图1-2所示，如果它是红外活性的话，Δ

6、E/h9的测量值与激发该振动的红外频率一致。相反，若光子从样品分子中获得能量，在大于入射光频率处接收到散射光线，则称为反斯托克斯线。处于基态的分子与光子发生非弹性碰撞，获得能量到激发态可得到斯托克斯线，反之，如果分子处于激发态，与光子发生非弹性碰撞就会释放能量而回到基态，得到反斯托斯线。斯托克斯线或反斯托克斯线与入射光频率之差称为拉曼位移。拉曼位移的大小和分子的跃迁能级差一样。因此，对应于同一分子能级，斯托克斯线与反斯托克斯线的拉曼位移应该相等，而且跃迁的几率也应相等。但在正常情况下，由于分子大多数是处于基态，测量到的斯托克斯线强度比反斯托克斯线强得多，所以在

7、一般拉曼光谱分析中，都采用斯托克斯线研究拉曼位移。拉曼位移的大小与入射光的频率无关，只与分子的能级结构有关，其范围为25～4000cm-1，因此入射光的能量应大于分子振动跃迁所需能量，小于电子能级跃迁的能量。图1-2散射效应示意图(a)瑞利和拉曼散射的能级图(b)散射谱线拉曼光谱是分子的非弹性光散射现象产生的，拉曼光谱也是用来研究分子的转动和振动能级的。拉曼活性需要分子有极化率的变化。这与红外光谱不同。因此，红外和拉曼光谱研究分子结构及振动模式是相互补充的。拉曼光谱的应用非常广泛，包括聚合物、复合材料、碳、矿物质、半导体以及生物医学和药物学。就本专业而言，拉曼

8、光谱是半导体表征的强有力工具，其应用主