基本介紹
- 中文名：遠紅外區
- 外文名：far infrared band；far infrared region
- 簡介：波長為25~1000微米的紅外光譜區
- 相關概念：紅外光譜、紅外吸收光譜法
- 所屬學科：物理、化學
基本介紹,紅外吸收光譜法,半導體材料紅外測量,
基本介紹
紅外光波波長位於可見光波和微波波長之間0.78～1000 μm(1μm=10-4 cm)範圍。其中0.78～2.5μm(或2500~4000cm-1)為近紅外區，2.5~25μm(或4000~400cm-1)為中紅外區，25~1000μm(或400~10cm-1)為遠紅外區，最常用的紅外及拉曼光譜區域是2.5～25μm。
紅外吸收光譜法
紅外吸收光譜法又稱紅外分光光度法，是分子吸收光譜法的一種。它是利用物質對紅外光區的電磁輻射的選擇性吸收特性來進行結構分析、定性鑑定和定量測定的一種分析方法。紅外光是指波長0.78～1000μm的光，其中，又分為近紅外區(波長0.78～2.5μm)，中紅外區(波長2.5～25μm)及遠紅外區(波長25～1000μm)。目前，分析化學中，研究和套用較多的是中紅外區的紅外光譜。
基本原理：
當以紅外光照射分子時，由於紅光的能量在數量上與分子中原子的振動能級相當，故能引起分子中原子振動能級和轉動能級的躍遷而產生紅外吸收光譜，簡稱紅外光譜。但不是任何分子都能產生紅外光譜，只有那些正負電中心不重合、即分子周圍的電荷分布不對稱的分子才能產生。因為只有這樣，當其發生振動或轉動時才會引起偶極矩的淨變化，產生一個可與輻射的電磁場相互作用的電磁場。相反，對稱分子如N2，O2或Cl2，由於兩個原子的電子云密度相同，發生振動或轉動時，偶極矩無淨變化，所以它們不吸收紅外光。
紅外光譜中吸收譜帶的位置與強弱， 是由分子中基團的振動方式決定的。基團的振動主要有兩種形式： 一種是沿著鍵的方向振動，不改變鍵角，原子間的鍵長發生了伸張或收縮，稱為伸縮振動，亦稱伸展振動;另一種是沿鍵的垂直方向振動，鍵角改變，稱為變形振動，亦稱彎曲振動或變角振動。在伸縮振動中，有對稱型及不對稱型兩種。在變形振動中，有面內變形振動與面外變形振動。對於這一切不同型式的振動，均有相應的吸收峰。幾種主要有機化合物的特徵基團，在中紅外區的特徵振動波長與振動形式關係圖(如圖1)。
基頻區(波數4 000～1 250cm-1)。即基團的特徵頻率區。在這一波段中， 主要是X—H鍵(N—H， O—H， C—H)、三鍵、雙鍵和部分單鍵的伸縮頻率區。它們都有自己特定的紅外吸收光譜， 分子中其他部分對其吸收位置影響較小。通常把這種能代表某基團存在並有較高強度的吸收峰稱為特徵吸收峰， 其所在波段位置稱為特徵頻率。後者是紅外光譜確定分子結構， 進行定性分析的依據。
圖1 特徵振動波長與振動形式關係圖指紋區(波數1 250～4 00cm-1)的吸收帶， 主要相應於C—C， C—O， C—X單鍵的伸縮振動或變形振動。這些振動受分子結構影響較大， 但每個分子在此頻率區都有不同的吸收特徵，與每個人都有不同指紋一樣，因而稱為指紋區。指紋區對於區別結構相似的化合物特別有用。一般來說， 在相同的測定條件下， 當一個化合物的紅外譜圖 (包括指紋區) 與另一化合物 (或標準譜圖) 的完全吻合， 則二者為同一化合物。
定性分析主要用於有機化合物的官能團定性和結構分析。前者是根據化合物的紅外光譜特徵譜帶確定化合物含有何種官能團，從而確定化合物的類別;後者是由化合物的紅外光譜結合其他性質，測定化合物的結構。
叔丁醇的紅外光譜圖(如圖3)，在特徵頻率區內， 有6個吸收峰， 其波數分別為3 600， 2 960， 1 450， 1 375， 1 250和1 210cm-1。波數為3 600cm-1的吸收峰， 是由於O—H基團的伸展振動所產生的; 波數為2 960cm-1的吸收，是由C—H基團的伸縮振動所產生的，其功能基相當於—CH3；波數為1 450及1 370cm-1的吸收峰，是分別由C—H鍵的不對稱型和對稱型的變形振動所產生的;波數為1 370cm-1， 1 250cm-1和1 210cm-1的吸收峰，則是由C—H鍵中的叔丁基
圖2叔丁基功能基所產生的，因而依據圖譜可以初步判斷此化合物為(CH3)3C—OH (叔丁醇)。
圖3叔丁醇的紅外光譜圖紅外光譜定量分析的依據同紫外-可見分光光度法一樣，是朗伯-比耳定律，也是根據吸收峰的強度來進行分析的。但由於紅外光譜的複雜性和儀器設備的特殊性， 所以在具體做法上與紫外-可見分光光度又不盡相同。首先， 要選擇恰當的吸收帶， 使之適合定量分析的需求;其次，還應注意在樣品製備和測量透光率(或吸光度)等方面的一些技術問題。
半導體材料紅外測量
利用紅外光譜的方法測量半導體性能，是半導體材料測量的主要內容之 一。紅外光譜可分為近紅外(0.78～2μm)、中紅外(2～25μm)和遠紅外(25～300μm)。當紅外光照射某種物質時，其電磁波與該物質內部原子(或離子、分子等)相互作用，而產生選擇性吸收。每種物質都有其特徵的吸收光譜，這是進行成分和結構分析以及測定各種物理特性的基礎。
半導體材料鍺和矽中的Ⅲ族和Ⅴ族元素，Ⅲ-Ⅴ族化合物中Ⅱ族和Ⅵ族元素，Ⅱ-Ⅵ族化合物中Ⅲ族、Ⅵ族元素和Ⅰ族、Ⅴ族元素，都能在禁帶中接近價帶或導帶邊緣產生受主能級或施主能級。每個雜質能級都有基態和一系列激發態。處於基態的雜質原子受到紅外光照射後，吸收光子能量，躍遷到不同的激發態，在紅外吸收譜中出現相應的吸收峰。通過紅外吸收光譜的測量，已給出鍺、矽和某些化合物半導體材料中各種淺能級雜質的能級譜圖，並用有效質量近似法對它們做了很好的描述。特徵吸收峰的強度與相應的雜質濃度有關，因此可由紅外吸收測量確定雜質處於基態或激發態，從而識別雜質的種類及測定其含量。如矽中P的2P±吸收峰特彆強，常被用來測定其含量。由於淺能級雜質基態和不同激發態之間的躍遷對應的光子能量很小，相應的波長處於遠紅外區，並要求在低溫下進行測量。在300～1500cm-1的光譜範圍內，研究了矽在退火過程中熱施主的產生和消失過程，發現p型矽在450℃下退火，可觀測到9個熱施主中心，得到各箇中心的基態及其激發態。
半導體材料中的雜質或缺陷及其絡合物的存在，破壞了晶格平移的對稱性，產生了非零的偶極矩，可引起與雜質性質相關聯的尖銳吸收。如果代位的或間隙的雜質原子量小於其主晶格原子量時，就可引起定域模振動吸收，其頻率高於主晶格聲子頻率。已觀測到各種半導體中一些輕元素雜質為氫、鋰、硼、碳、氮、氧、鋁、矽、磷等的定域模振動吸收峰。通過對這些特徵振動模式的研究，可以得到晶體中有關雜質的種類及其同位素豐度、雜質位置的對稱結構、雜質附近的化學鍵結構以及它們對晶體電子結構的影響等信息。這些振動吸收峰的強度也與相應雜質的濃度有關，如矽中的氧和碳的定域模振動吸收，已被用來作為測定其含量的標準測試方法。GaAs中的碳、硼、矽等雜質也已有相應的經驗換算公式。
在近紅外區測定半導體的本徵吸收邊，就可推知它的禁頻寬度。
紅外區的反射譜也得到套用，使用最為廣泛的是紅外干涉法測外延層厚度和利用等離子共振極小點測定載流子濃度。前者是根據紅外光投射到外延層上，則在其表面和外延層與襯底界面處發生反射，這兩束反射光在 一定條件下會發生相互增強或減弱而形成干涉譜，由此測定外延層的厚度。後者則是利用紅外反射譜中與等離子共振有關的反射率極小點的波長來測定載流子濃度。適用範圍是1017～1020cm-3。
