EPR波谱仪

电子顺磁共振(EPR)技术在材料科学和物理学中的应用

在物理学和材料科学领域内存在着很多实际的应用场景。电子顺磁共振(EPR)可以研究聚合物的合成和降解、涂料的性能、测试光伏、半导体、电池以及碳纳米管的纯度和稳定性。此外,我们还可以利用EPR获取有关过渡金属、稀土和锕系离子的配位环境的信息。

聚合物的降解

受阻胺光稳定剂(HALS)成功地抑制了聚合物的光氧化。

聚合物因光照而产生的降解,会导致聚合物变色和机械性能(弹性、韧性等)降低。为了防止这种分解,可将受阻胺光稳定剂(HALS)添加到聚合物中。通过监测该光稳定剂的EPR信号,评估其有效性。

光照射下的光引发和自由基的形成
在紫外线照射期间,聚合物中产生的EPR信号(左)在添加了HALS后被完全抑制,只观察到HALS EPR谱图(右)

聚合物的结构

使用氮氧自由基自旋标记的聚电解质多层(PEM)膜的EPR研究。

聚电解质多层(带有离解离子基团的聚合物)是通过交替吸附带相反电荷的聚电解质而形成的,也称逐层技术。由强聚阳离子和弱聚阴离子组成的PEM薄膜通常用氮氧自由基(4-氨基-TEMPO)进行自旋标记,用EPR波谱法进行研究。这种研究方法可以监测PEM薄膜的生长,通过EPR定量分析提供每个双层的信息。

与pH4缓冲溶液接触的聚阳离子/被TEMPO标记的聚阴离子多层膜的信号强度取决于双层NDL的数量。

涂料的性能

涂料中的受阻胺光稳定剂(HALS)EPR信号提示涂料经紫外线照射后变质。

漆膜劣化的主要原因在于几种成分的降解,其中包括粘合剂和某些颜料。这是长期暴露于紫外线(光照)、水分和冻融循环中而形成的自由基导致的。自由基具有高反应性,可以在物质中形成或分解化学键。涂料暴露于这些条件下时,自由基会损坏薄膜,从而破坏涂料的耐久性。这个过程与皮肤老化的过程非常相似。当含有自由基的皮肤经年累月地暴露于阳光下时,就会出现老化迹象,包括皱纹、脱皮、晒斑和皮肤整体干燥。

经过紫外线照射,在涂料中检测到的受阻胺光稳定剂(HALS)的EPR谱图

太阳能电池

用EPR检测非晶硅缺陷。

在光伏行业,硅是用于生产单晶或多晶太阳能电池的最常见的材料。使用EPR分析法,可以对其顺磁缺陷进行具体的表征,以深入了解因退化引起的顺磁中心会对太阳能电池活性层的效率产生怎样的影响。对非晶硅光伏器件进行的EPR研究表明,顺磁缺陷的存在与这类材料的电荷收集效率有着很强的联系。

通过EPR检测到的、非晶硅中由于弱Si-Si键断裂而产生的光致缺陷

过渡金属

测定纤锌矿薄膜中的Mg配位

过渡族、稀土和锕系离子是3d、4d、5d、4f和5f族的成员,也是大量EPR研究的主题。过渡元素之所以成为EPR研究的对象,在于其可变价。例如,Zn1xMgxO复合物是一种氧化物半导体多功能材料,本体和界面处的原子排列决定了氧化物的重要特性。对此,可使用EPR波谱法测定异质外延纤锌矿Zn1xMgxO:Mn薄膜中的Mg配位。

本数据由莱比锡大学的Andreas Pöppl博士提供(J. Mater. Chem. C, 2015, 3, 11918)

在297K下,Zn0.99Mg0.01O:Mn(pO2 = 0.016 mbar,cMn = 0.05%)薄膜样品G5189的B┴c(上图)和BIIc(下图)实验和模拟EPR谱图。星号表示蓝宝石衬底中Fe3+和Cr3+杂质的信号。