Logo der Universität Wien

Wie funktioniert optische Spektroskopie?

Spektroskopie beinhaltet meist die Beobachtung einer speziellen Frequenz des sichtbaren Lichts nach Streuung, Reflexion oder Transmission durch die zu untersuchende Probe. Dies kann im einfachsten Fall auch mit dem Auge erfolgen, wie zum Beispiel im Fall der Untersuchung des Brechungsindex von Festkörpern oder Flüssigkeiten mittels Beobachtung des Brechungswinkels.

Moderne spektroskopische Methoden sind vielfältig und beinhalten Spektroskopie mit optischem, Infrarot und UV-Licht genauso wie die Verwendung von Röntgenstrahlung unterschiedlichster Frequenzen. Die in der EPM Gruppe verwendeten Methoden, womit auch die interkalierten Graphit-Strukturen untersucht wurden, beinhalten Photoemissionsspektroskopie, optische Absorptionsspektroskopie und Raman-Spektroskopie.

Bild 7: Fotos der Spektrometer-Anordnungen, wie sie von der Gruppe Elektronische Materialeigenschaften der Fakultät für Physik der Universität Wien verwendet werden. a) Photoemissions-Spektrometer integriert in ein Ultrahochvakuum-System. b) Raman-Spektrometer (im geöffneten Zustand ist der Strahlengang des eingesetzten Lasers sichtbar).

Photoemissionsspektroskopie

Diese experimentelle Methode basiert auf dem, von Albert Einstein beschriebenen, Photoeffekt. Dabei werden Elektronen durch Bestrahlung mit Photonen aus den Atomen gelöst. Energie und Impuls dieser Elektronen werden registriert und geben Aufschluss über den Bindungszustand der Atome. Damit kann die Art und relative Anzahl der Atome in einer Probe genau bestimmt werden. Außerdem kann die Art der Bindung (also die Art und Anzahl der vorhandenen Moleküle und deren Wechselwirkung) untersucht werden. Dies kann sowohl für die Valenzelektronen, als auch für die Elektronen mit hohen Bindungsenergien durchgeführt werden, wenn die entsprechenden Anregungsenergien im UV und Röntgenbereich verwendet werden.

Optische Absorptions-Spektroskopie

Wie aus dem Namen vielleicht schon zu erkennen ist, wird mit diesem Verfahren die Effizienz von Materialien, Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen im sichtbaren und Infrarot-Bereich zu absorbieren (oder zu reflektieren) gemessen. Dabei wird die zu untersuchende Probe mit speziellen Lampen beleuchtet, die in diesen Frequenzbereichen hohe Intensitäten aufweisen. Das transmittierte oder reflektierte Licht wird dann frequenzabhängig analysiert. Dabei können vor kleine Mengen von Stoffen (wie z.B. Kohlenstoff-Nanoröhren) in Flüssigkeitslösungen nachgewiesen werden und damit die Art und Menge dieses Stoffes bestimmt werden. Dies lässt z.B. Rückschlüsse auf den Durchmesser von Kohlenstoff-Nanoröhren und deren elektronische und optische Eigenschaften zu.

Bild 8: Raman-Spektren der Messergebnisse Kalium-interkalierter Kohlenstoff-Nanoröhren, wie man sie a) direkt am Spektrometer ablesen kann und b) der Ausschnitt aus diesen Spektren (G-Linie), welcher auch in der Präsentation im Naturhistorischen Museum zu sehen ist, für unterschiedlich Kalium-interkalierten Graphit. Dabei zeigen die grauen Linien geladene Graphitebene (wie schon bei der ersten Frage erklärt wurde) und die blaue Linie ungeladene Graphitebenen ohne angrenzende Alkalimetall-Atome

Raman Spektroskopie

Dieses Verfahren ist nach dem indischen Physiker C.V. Raman benannt und gibt Aufschluss über die phononischen Eigenschaften eines Materials. Phononen sind die kollektiven Schwingungen der Atomrümpfe in einem Festkörper. Diese können auch durch die Absorption von Licht einer bestimmten Wellenlänge angeregt werden. Als Lichtquellen werden meist Laser im sichtbaren, Infrarot und UV-Bereich verwendet, wobei für die Untersuchung der interkalierten Graphit-Strukturen vor allem rotes, grünes und gelbes Laserlicht benutzt wird (Bild 7).

Der Laser trifft auf das zu untersuchende Material und regt dabei ein oder mehrere Phononen im Festkörper an. Der reflektierte Lichtstrahl weist geringere Energie auf als der einfallende, da Energie aufgewandt werden muss um die Schwingung im Festkörper anzuregen. Die Differenzenergie ist charakteristisch für die Art der angeregten Schwingung und wird Raman Verschiebung genannt. Die Intensität und Energie der angeregten Schwingungen gibt Aufschluss über die Beschaffenheit der untersuchten Stoffe, da Atome in bestimmten Bindungszuständen nur bestimmte Schwingungsbewegungen ausführen können.

Die Energie der charakteristische Schwingungsmode (auch G-Linie genannt) für alle Graphitstrukturen liegt bei etwa 0.2 eV (Elektronvolt, entspricht einer Raman Verschiebung von 1600 cm-1). Dies entspricht etwa einem Zehntel der Anregungsenergie von sichtbarem Licht (zwischen 1.6 eV und 3 eV). Die interkalierten Atome ändern die elektronische Struktur der Graphitebenen und damit auch die Energie der Schwingungsmoden. Deswegen ist ein deutlicher Unterschied zwischen der G-Linie der geladenen Ebenen (nahe den interkalierten Atomen) und jenen die ungeladen sind zu erkennen (Bild 8). Damit kann der Interkalationzustand mit dieser Methode besonders gut beobachtet werden. Da die Methode außerdem relativ schnell Ergebnisse liefert, kann sie auch direkt während des Interkaltionsprozesses eingesetzt werden.

Electronic Properties of Materials
Faculty of Physics
University of Vienna

Strudlhofgasse 4
A-1090 Wien
T: +43-1-4277-726 01
F: +43-1-4277-9726
E-Mail
University of Vienna | Universitätsring 1 | 1010 Vienna | T +43-1-4277-0