Kĩ thuật phân tích vật liệu rắn - Cộng hưởng thuận từ electron

CBHD: GS.TS Lê Khắc Bình Nhóm thực hiện: 1. Lê Hoàng Nam 2. Trịnh Thị Huỳnh Như 3. Đào Vân Thúy TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN BỘ MÔN VẬT LÝ ỨNG DỤNG BỘ MÔN VẬT LÝ ỨNG DỤNG Kỹ thuật phân tích vật liệu rắn Kỹ thuật phân tích vật liệu rắn Sermina Sermina Đề tài: Th c m c xin liên h : ắ ắ ệ Th c m c xin liên h : ắ ắ ệ thanhlam1910_2006@yaho thanhlam1910_2006@yaho o.com o.com Giới thiệu NỘI DUNG Tương tác siêu tinh tế Nguyên tắc của phương pháp EPR Các quá trình hồi phục Hiện tượng bão hòa EPR spectrometer Ứng dụng của EPR Cộng hưởng thuận từ (electron paramagnetic resonance – EPR) được khám phá vào năm 1945 bởi nhà khoa học Zavoisky. EPR được ứng dụng rộng rãi trong hóa học, vật lý, sinh học và y học… EPR được ứng dụng để nghiên cứu cấu trúc của chất lỏng, chất rắn và rất hữu ích trong việc nghiên cứu quá trình động. Zavoisky Gi i thi uớ ệ Trong từ trường B, Hi u ng Zeeman làm cho các mức năng ệ ứ lượng làm nguyên tử có mô-men M J có năng lượng phụ ∆E = - M JB B trong đó M JB là thành phần chiếu của vec-tơ lên chiều của từ trường M JB = - g µ B m J Do đó, ∆E = g µ B m J B Nguyên tắc của phương pháp EPR Khi chưa có từ trường ngoài, các trạng thái của nguyên tử có J xác đònh ( nguyên tử có mô-men từ M J ) có cùng năng lượng E 0 nào đó. Mức năng lượng E 0 khi đó có sự suy biến theo số lượng tử m J ( độ suy biến bằng 2J + 1 ). mức năng lượng 2S+1 L J tách thành 2J + 1 mức cách đều nhau. Độ lớn của sự tách này phụ thuộc vào cường độ từ trường B và vào thừa số Landé , nghóa là phụ thuộc vào các số lượng tử L, S và J của mức đang xét. Sự tách mức năng lượng Zeeman trong từ trường. Độ tách mức tỷ lệ tuyến tính với cường độ từ trường B. Sự chuyển dời giữa hai mức năng lượng khi hấp thụ năng lượng của bức xạ vi ba h ν = g µ B B. gµ B B Đường hấp thụ Nguyên tắc của phương pháp EPR 3 F 1 D 3 P 1 G 1 S ~ eV Tử ngoại 10 4 cm -1 0,1 eV Hồng ngoại xa (100 cm -1 ) J = 4 J = 3 J = 2 m J 2 1 0 -1 -2 0,1 meV Vi ba (1 cm -1 ) ion tự do d 2 tương tác spin-quỹ đạo trong B 1 cm -1 = 1,24 . 10 -4 eV Nguyên tắc của phương pháp EPR Phương pháp cộng hưởng thuận từ electron (EPR) - còn được gọi là cộng hưởng spin electron (ESR) - đo sự hấp thụ bức xạ vi ba tương ứng với độ tách năng lượng của electron không có đôi khi đặt nó vào trong từ trường. Nguyên tắc của phương pháp EPR (a) Schematic representation of a single electron spin in a steady magnetic field H 0 (b) Corresponding energy-level scheme. Bức xạ tới hv bò hấp thụ bởi các electrons trong mức năng lượng thấp làm cho chúng nhảy lên trạng thái có năng lượng cao hơn đồng thời cũng có bức xạ cưỡng bức làm cho electron nhảy xuống mức thấp. Vì các hệ số hấp thụ và bức xạ cưỡng bức bằng nhau nên sẽ không có hấp thụ khi các spin phân bố đều giữa hai mức đó. Tuy nhiên nồng độ n 1 của trạng thái cơ bản lớn hơn n 2 nồng độ của trạng thái kích thích nên có sự hấp thụ tổng cộng bức xạ vi ba. Tỷ số của các nồng độ có thể được mô tả bởi phân bố Boltzmann Vật liệu chứa các mômen từ nguyên tử thỏa mãn phân bố Boltzmann được gọi là chất thuận từ. Vì E = hv khi công hưởng, độ nhạy của kỹ thuật EPR tăng khi dùng tần số cao của bức xạ và hạ thấp nhiệt độ đo. )exp( 2 1 kT E n n ∆ −= Nguyên tắc của phương pháp EPR Thoạt nhìn, có thể nghó phổ cộng hưởng của electron không có đôi khi nào cũng như nhau. Trên thực tế không phải như vậy vì trạng thái từ của electron bò thay đổi bởi môi trường xung quanh nó. Chính sự thay đổi này cho phép nghiên cứu cấu trúc của vật liệu đang nghiên cứu. Đường cộng hưởng bò mở rộng. Thực tế độ rộng của đường từ vài milligauss cho các gốc tự do trong dung dòch đến 1000 gauss cho vài hợp kim loại chuyển tiếp trong trạng thái rắn. Nguyên tắc của phương pháp EPR [...]... tương tác giữa mômen từ của 1 electron với mômen từ của hạt nhân Mômen từ hạt nhân trong từ trường có (2I+1) đònh hướng được phép Từ trường liên quan đến mômen từ hạt nhân có thể cộng thêm hoặc trừ đi từ trường ngoài tác dụng lên hệ spin electron Giản đồ năng lượng cho một chất thuận từ với S=1/2 và I=1/2 Phổ EPR tuân theo quy tắc lọc lựa ∆ms= ±1, ∆mI= 0, Tương tác siêu tinh tế Electron S(½) MS=+½ Tương... MS=+½ Tương tác siêu tinh tế Nucleus I (½) MI=+½ S=½; I=½ Doublet MI =- MS=±½ MS =- MI =- MI=+½ Quy tắc lọc lựa ∆MS = ±1; ∆MI = 0 Từ trường Tương tác siêu tinh tế Electron S (½) MS = ±½ Tương tác siêu tinh tế Nucleus I (1) MI=0,±1 MS=+½ MI=+1 S=½; I=1 Triplet MI= 0 MI =-1 MS=±½ MS =- MI =-1 MI= 0 MI=+1 Quy tắc lọc lựa ∆MS = ±1; ∆MI = 0 Từ trường Magnetic Field Các quá trình hồi phục Có thể thu thêm thông... sau :  T1 thời gian hồi phục spin-mạng liên quan đến sự trở lại trạng thái cân bằng nhiệt của các electron ( hay hạt nhân trong PP NMR ) bò kích thích bởi sự hấp thụ năng lượng điện từ  T2 là thời gian hồi phục spin-spin liên quan đến sự không đồng bộ về pha của sự tiến động của các electron bò kích thích ( hoặc hạt nhân trong phương pháp NMR ) quanh chiều của từ trường Các quá trình hồi phục T2... N− Tần số Từ trường 9.5 GHz 3390 G 0.9985 1.0 GHz 356.8 G 0.99985 250 MHz89.2 G 0.99996 Tỷ số lấp đầy Vì hai mức spin có độ lấp đầy khá như nhau, phương pháp cộng hưởng từ gặp khó khăn khi dùng bức xạ mạnh : Trường bức xạ mạnh sẽ làm cân bằng độ lấp đầy giữa hai mức > sự hấp thụ ròng giảm : Hiện tượng “bão hòa” Hiện tượng bão hòa Thừa số bão hòa S= 1 2 2 1 + γ B1 T1T2 γ = 1,76x107 rad s-1 G-1 Tín hiệu... 1 • Khi P tăng , từ trường B1 tăng ( do nó tỷ lệ với căn bậc hai của P ) , g2B12T1T2 tăng và S giảm • Các giá trò T1 và T2 càng nhỏ , giá trò của S càng lớn với cùng B1 và do đó có thể dùng công suất cao hơn mà không có bão hòa Biên độ tín hiệu Hiện tượng bão hòa Căn bậc hai của công suất Trường cộng hưởng cho tín hiệu g = 2 ở các tần số vi ba khác nhau Tần số (GHz) Trường cộng hưởng (Te) 1.1 0.0393... khác nhau Tần số (GHz) Trường cộng hưởng (Te) 1.1 0.0393 3.5 0.1250 9.25 0.3305 24.0 0.8574 35.0 1.2504 90 3.2153 180 6.4305 270 9.6458 Tuy X-band phổ biến nhất hiện nay, phổ kế EPR hoạt động trên một vài giai tần số khác cũng có trên thò trường Band ν/GHz λ/cm B (electron) /Tesla S 3.0 10.0 0.107 X 9.5 3.15 0.339 K 23 1.30 0.82 Q 35 0.86 1.25 W 95 0.315 3.3 . NHIÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN BỘ MÔN VẬT LÝ ỨNG DỤNG BỘ MÔN VẬT LÝ ỨNG DỤNG Kỹ thuật phân tích vật liệu rắn Kỹ thuật phân tích vật liệu rắn Sermina Sermina Đề tài: Th c m c. pháp EPR Phương pháp cộng hưởng thuận từ electron (EPR) - còn được gọi là cộng hưởng spin electron (ESR) - đo sự hấp thụ bức xạ vi ba tương ứng với độ tách năng lượng của electron không có đôi. thể được mô tả bởi phân bố Boltzmann Vật liệu chứa các mômen từ nguyên tử thỏa mãn phân bố Boltzmann được gọi là chất thuận từ. Vì E = hv khi công hưởng, độ nhạy của kỹ thuật EPR tăng khi dùng