Bài thuyết trình Kỹ thuật phân tích vật liệu rắn: Cộng hưởng thuận từ Ø EPR

Bài thuyết trình Kỹ thuật phân tích vật liệu rắn: Cộng hưởng thuận từ Ø EPR bao gồm những nội dung chính về giới thiệu, nguyên tắc của phương pháp pháp EPR, tương tác siêu tinh tế, quá trình hồi phục, hiện tượng bão hòa, EPR spectrometer, ứng dụng của EPR.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN BỘ MÔN VẬT LÝ ỨNG DỤNG Sermina Kỹ thuật phân tích vật liệu rắn Đề tài: CBHD: GS.TS Lê Khắc Bình Nhóm thực hiện: Lê Hoàng Nam Trịnh Thị Huỳnh Như Đào Vân Thúy NỘI DUNG Giới thiệu Nguyên tắc phương pháp EPR Tương tác siêu tinh tế Các q trình hồi phục Hiện tượng bão hịa EPR spectrometer Ứng dụng EPR Giới thiệu Cộng hưởng thuận từ (electron paramagnetic resonance – EPR) khám phá vào năm 1945 nhà khoa học Zavoisky EPR ứng dụng rộng rãi hóa học, vật lý, sinh học y học… Zavoisky EPR ứng dụng để nghiên cứu cấu trúc chất lỏng, chất rắn hữu ích việc nghiên cứu trình động Nguyên tắc phương pháp EPR Khi chưa có từ trường ngồi, trạng thái nguyên tử có J xác định ( ngun tử có mơ-men từ MJ ) có lượng E0 Mức lượng E0 có suy biến theo số lượng tử mJ ( độ suy biến 2J + ) Trong từ trường B, Hiệu ứng Zeeman làm cho mức lượng làm ngun tử có mơ-men MJ có lượng phụ E = - MJB B MJB thành phần chiếu vec-tơ lên chiều từ trường MJB = - g B mJ Do đó, E = g B mJ B mức lượng 2S+1LJ tách thành 2J + mức cách Độ lớn tách phụ thuộc vào cường độ từ trường B vào thừa số Landé , nghĩa phụ thuộc vào số lượng tử L, S J mức xét Nguyên tắc phương pháp EPR gmBB Đường hấp thụ Sự tách mức lượng Zeeman từ trường Độ tách mức tỷ lệ tuyến tính với cường độ từ trường B Sự chuyển dời hai mức lượng hấp thụ lượng xạ vi ba hn = g mB B Nguyên tắc phương pháp EPR 1S cm-1 = 1,24 10-4 eV 1G 3P 1D ~ eV Tử ngoại 104 cm-1 3F J=4 J=3 0,1 meV Vi ba (1 cm-1) Hồng ngoại xa 0,1 eV (100 cm-1) J=2 ion tự d2 tương tác spin-quỹ đạo B mJ -1 -2 Nguyên tắc phương pháp EPR Phương pháp cộng hưởng thuận từ electron (EPR) - gọi cộng hưởng spin electron (ESR) - đo hấp thụ xạ vi ba tương ứng với độ tách lượng electron khơng có đơi đặt vào từ trường (a) Schematic representation of a single electron spin in a steady magnetic field H0 (b) Corresponding energy-level scheme Nguyên tắc phương pháp EPR Bức xạ tới hv bị hấp thụ electrons mức lượng thấp làm cho chúng nhảy lên trạng thái có lượng cao đồng thời có xạ cưỡng làm cho electron nhảy xuống mức thấp Vì hệ số hấp thụ xạ cưỡng nên hấp thụ spin phân bố hai mức Tuy nhiên nồng độ n1 trạng thái lớn n2 nồng độ trạng thái kích thích nên có hấp thụ tổng cộng xạ vi ba Tỷ số nồng độ mơ tả phân bố Boltzmann n1 E  exp( ) n2 kT Vật liệu chứa mômen từ nguyên tử thỏa mãn phân bố Boltzmann gọi chất thuận từ Vì E = hv công hưởng, độ nhạy kỹ thuật EPR tăng dùng tần số cao xạ hạ thấp nhiệt độ đo Nguyên tắc phương pháp EPR Thoạt nhìn, nghĩ phổ cộng hưởng electron khơng có đơi Trên thực tế khơng phải trạng thái từ electron bị thay đổi mơi trường xung quanh Chính thay đổi cho phép nghiên cứu cấu trúc vật liệu nghiên cứu Đường cộng hưởng bị mở rộng Thực tế độ rộng đường từ vài milligauss cho gốc tự dung dịch đến 1000 gauss cho vài hợp kim loại chuyển tiếp trạng thái rắn Tương tác siêu tinh tế(hyperfine) Tương tác hyperfine tương tác mômen từ electron với mômen từ hạt nhân Mômen từ hạt nhân từ trường có (2I+1) định hướng phép Từ trường liên quan đến mơmen từ hạt nhân cộng thêm trừ từ trường tác dụng lên hệ spin electron Giản đồ lượng cho chất thuận từ với S=1/2 I=1/2 Phổ EPR tuân theo quy tắc lọc lựa Dms= ±1, DmI= 0, Tương tác siêu tinh tế Electron S(½) MS=+½ Tương tác siêu tinh tế Nucleus I (½) MI=+½ S=½; I=½ Doublet MI=-½ MS=±½ MS=-½ MI=-½ MI=+½ Quy tắc lọc lựa DMS = ±1; DMI = Từ trường Tương tác siêu tinh tế Electron S (½) Nucleus I (1) MS = ±½ MI=0,±1 MS=+½ MI=+1 Tương tác siêu tinh tế S=½; I=1 Triplet MI= MI=-1 MS=±½ MS=-½ MI=-1 MI= MI=+1 Quy tắc lọc lựa DMS = ±1; DMI = Từ trường Magnetic Field Các q trình hồi phục Có thể thu thêm thông tin xét đến thời gian hồi phục Có thể đo thời gian quan trọng sau :  T1 thời gian hồi phục spin-mạng liên quan đến trở lại trạng thái cân nhiệt electron ( hay hạt nhân PP NMR ) bị kích thích hấp thụ lượng điện từ  T2 thời gian hồi phục spin-spin liên quan đến không đồng pha tiến động electron bị kích thích ( hạt nhân phương pháp NMR ) quanh chiều từ trường Các trình hồi phục T2 SPIN T1 Các spin khác Tương tác trao oổi T1* MẠNG TINH THỂ T1 T2 liên quan đến hai trình hồi phục độc lập xẩy đồng thời T2  T1 Thường T2 hấp thụ ròng giảm : Hiện tượng “bão hòa” Hiện tượng bão hòa Thừa số bão hòa S 2  g B1 T1T2 g = 1,76x107 rad s-1 G-1 Tín hiệu EPR tỷ lệ với số spin chưa có đơi mẫu thừa số bão hịa S ~ • Khi S ~ 1, tín hiệu EPR tăng tuyến tính với P • S ~ when g2 B12 T1T2