透红外材料.ppt
红外吸收光谱PPT课件
02
红外吸收光谱仪器
红外光谱仪的构造
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03
04
光源
发射一定波长的红外光，常用 光源有碘、溴钨灯等。
单色器
将光源发出的红外光分成单色 光，常用单色器有棱镜和光栅
。
样品室
放置待测样品，样品可以是气 体、液体或固体。
检测器
检测透过样品的红外光，常用 检测器有热电偶、光电导和光
电二极管等。
红外光谱仪的工作原理
红外吸收光谱的应用
确定物质成分
结构分析
通过比较标准物质的红外吸收光谱，可以 确定未知物质的成分。
红外吸收光谱的峰位置和峰强度可以提供 物质分子的振动和转动信息，有助于分析 分子结构和化学键的类型。
定量分析
反应动力学研究
通过测量样品在不同波长下的透射率或反 射率，可以计算样品中目标成分的浓度。
红外吸收光谱可用于研究化学反应过程中 分子振动和转动能级的跃迁。
特点
具有高灵敏度、高分辨率和高选 择性，能够提供物质分子的振动 和转动信息，广泛应用于化学、 物理、环境和生物等领域。
红外吸收光谱的原理
原理
当红外光与物质分子相互作用时，分 子吸收特定波长的红外光，导致分子 振动和转动能级跃迁，产生红外吸收 光谱。
影响因素
分子结构和化学键的性质决定红外吸 收光谱的特征，不同物质具有独特的 红外吸收光谱。
敏度，适用于复杂样品分析。
微型化红外光谱仪
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通过集成光学、微电子机械系统等技术，将红外光谱仪小型化，
方便携带和移动检测。
多光谱和超光谱红外光谱仪
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结合多光谱技术和超光谱技术，可同时获取样品多个波段的红
外光谱信息，提高分析效率。
透红外材料
1.2.2 等离子体辅助化学气相沉积
等离子体辅助化学气相沉积法（PECVD）又称为辉 光放电现象，辉光现象不仅在薄膜材料的CVD制备 中得到应用，也是溅射法的基础。在辉光放电中， 并非所有的中性分子或原子都被电离，相反，被电 离的分子或原子所占比例小，最大不超过万分之一 左右。因而在压强为10Pa左右的直流辉光放电气体 中，离子和电子的密度只有大约10e11 。在整个放 电气体中，产生或消灭的电子数目总是与离子数目 相等，因而将放电气体中的种种反应统称为等离子 体的反应，将放电气体成为等离子体。
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(3)掩膜 （4）磁介质保护膜 4.2.4 光学方面的应用 （1）增透保护膜 （2）光学保护膜 （3）装饰品 （4）光纤化学传感器 4.2.5医学方面的应用 （1）心脏瓣膜
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（2）高频手术刀 （3）人工关节
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红外透波材料的展望
对玻璃类红外材料，制备工艺简单，容易产 业化，对我国红外技术发展有利，正好可以 克服晶体红外材料的不足。二玻璃材料中硫 系玻璃目前被看做有可能代替单晶材料用于 热成像系统或红外窗口的红外材料，在国内 外把这种材料当做红外透波材料的研究都刚 刚起步，目前还迫切需要研究1-14um具有高 透过率，软化点高，对环境要求低，而且镀 膜产品直接能满足红外窗口，热成像仪所要 求硫系玻璃及相关技术。
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四、透红外材料的应用 透红外材料是用来制造红外光学仪器透镜、 棱镜、调制盘、整流罩等不可缺少的材料， 各种透红外材料的主要用途如下表：
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4.1 金刚石的应用 金刚石的各项性能都很完美，单晶金刚石作为飞机 耐高压红外窗口已有三十多年的历史了，但价格昂 贵，CVD多晶金刚石价格比单晶成本较低，而且也 可以用作UV探测器，热成像系统，飞机红外窗口， 红外头罩，透红外反射红外光学元件，既耐雨水颗 粒冲击，又耐高温腐蚀，使用性能很好，本来就可 以在700℃以下高温使用，有人又研究发现其表面 镀制ALN膜使其温度可提高到1000℃以上。
傅立叶红外光谱一些红外透光材料
傅立叶红外光谱一些红外透光材料选择红外透光材料要根据测定波长，机械强度，稳定性和经济性来考虑，文献报导的透光材料很多，但是实际应用的并不太多：（1）溴化钾KBr：易潮解，透过波长7800～400cm-1，(25μm以下)透过率大于92%，不易低温。
（2）氯化钠NaCl：易潮解，透过波长500～625cm-1，(2～16μm)不易低温。
（3）氟化钙CaF２：不易潮解，透过波长7800～1100cm-1(1～9μm)，透过率大于90%，不耐机械冲击。
：（4）氟化镁MgF2：不易潮解，透过波长0.11～8.5μm，透过率大于90%。
（5）氟化钡BaF2：不易潮解，透过波长7800～800cm(1～12μm)透过率大于90%。
（6）金刚石：碳的一种，有Ⅰ型和Ⅱ型两种，透光波长10cm-1，(1000μm)。
它们在4～6μm(2300～1660cm-1)有吸收，Ⅰ型还在19～22μm和7～11μm有两个吸收带，据此可以鉴别金刚石的类型。
（7）锗Ge：纯度越高透光越好，透光性受纯度和厚度的影响，23μm和40μm 以外可以使用，在120℃时不透明。
（8）硅Si：耐机械和热冲击，可达15μm，但是，在9μm(1110cm-1)时有一吸收带。
（9）热压块：用红外晶体的粉末加压成型，有MgF2，ZnS，CaF2，ZnSe，MgO 等，混合热压块的机械性能超过晶体。
（10）塑料：高密度聚乙烯在20～1000μm的远红外区可以使用，还有聚乙烯，聚四氟乙烯等薄片也可以使用。
（11）氯化银AgCl：软，不易破裂，435cm-1(23μm以下)，易变黑，贵。
（12）溴化银AgBr：软，不易破裂，285cm-1(35μm以下)，作为全反射材料。
（13）硫化锌ZnS：不易潮解，透过波长7800～700cm-1，(1～14μm)透过率大于85%。
（14）溴（碘）化铊KRS-5：TiI58%和TiBr42%混晶，不易裂，透过波长7800～200cm-1，(1～50μm)，透过率大于92%，折射率高，全反射材料，贵，有毒。
红外透射材料
红外透射材料能透过红外辐射的材料，用于制造红外仪器的部件，如红外探测器的窗口、红外仪器光学系统的透镜和棱镜等。
对这些材料的要求是：①能透过所需波段的红外辐射；②有尽可能高的透射比；③机械强度高；④化学稳定性好。
若红外透射材料是平板型，当红外辐射投射到它的表面上时，部分被反射，其余进入体内。
进入体内的有一部分被吸收,剩余部分透射过去。
若吸收比为α，反射比为ρ，透射比为τ(都是对入射辐射功率之比而言)，则α＋ρ＋τ＝1。
红外透射材料要求有尽可能大的τ，α、ρ应尽可能小。
后两者皆取决于物质的微观结构。
α决定于物质内部的辐射吸收过程，如晶格振动吸收所引起的基本吸收，分子晶体中的分子振动和转动所引起的特征吸收，以及半导体中电子从价带跃迁到导带的本征吸收。
这些都是材料所固有的辐射吸收过程。
此外,尚有杂质吸收、自由载流子吸收,多晶体中晶粒间界的散射所引起的辐射衰减也相当于吸收。
固体材料中任一个固有的辐射吸收过程，都会在某一波段引起相当大的吸收。
因而τ必然很小。
因此,红外透射材料的透射波段只能选择在没有这类固有吸收过程的波段内，而且其他吸收也必须降低到可以忽略的程度,即α≈0。
这样,就只有反射的损失。
反射有漫反射和镜面反射两种。
漫反射与表面光洁度有关，越光洁漫反射率就越低。
必须设法将这部分反射损失降低到可忽略不计的程度。
镜面反射与材料的折射率有关。
在没有吸收的波段,对于垂直投射的辐射,其反射率为式中n为材料的折射率。
反射率是指一个面上反射辐射功率与入射辐射功率之比。
通常在测量时，把红外透射材料做成有两个平行表面的薄板。
当进入材料的辐射碰到第二个表面时，也有部分被反射,回到第一个表面,而且又有部分辐射透出表面，与第一次反射辐射叠加。
因而实际测量的反射比是多次反射的叠加，其结果为折射率越大，反射率和反射比就越大。
有些半导体材料的折射率大致为4。
因此，在透明区反射损失约为 53％。
这一反射损失，可用增透膜的办法予以减小。
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04
红外光谱实验技术
Байду номын сангаас
样品制备技术
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固体样品制备
将样品研磨成粉末，然后 与KBr混合压制成透明片 或与Ge晶片接触测量。
液体样品制备
将液体样品涂在CaF2或 NaCl晶片上，或使用液膜 法测量。
气体样品制备
将气体样品通过吸收池， 利用适当的吸收剂吸收后 进行测量。
红外光谱的表示方法
谱图
红外光谱图是以波长为横坐标，以透 射比或吸光度为纵坐标绘制的图谱。
峰的位置与强度
特征峰与峰带
特征峰是指特定官能团对应的吸收峰， 峰带则是由多个特征峰组成的区域， 可以反映分子中存在的官能团及其结 构特征。
峰的位置表示特定波长的红外光被吸 收，峰的强度则反映该波长下分子振 动的程度。
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目录
• 红外光谱基本概念 • 红外光谱与分子结构的关系 • 红外光谱的应用 • 红外光谱实验技术
01
红外光谱基本概念
红外光谱的产生
分子振动
分子中的原子或分子的振动会产 生能量变化，当这些变化与红外 光相匹配时，光被吸收，形成红 外光谱。
分子振动类型
分子振动主要有伸缩振动和弯曲 振动两种类型，伸缩振动是指原 子沿键轴方向的往复运动，弯曲 振动则是指分子构型的变化。
02
仪器维护
定期对仪器进行校准和维护，确保测量准确性。
03
安全防范措施
了解并遵守实验室安全规定，避免直接接触有毒有害物质；在操作过程
中注意防止气体泄漏和火灾事故的发生；实验结束后，应按照实验室规
定正确处理废弃物。
透红外材料
透红外材料透红外材料是指在红外光波段具有较好透过性的材料。
红外光波长范围通常是1微米至1000微米，对应的频率范围是300 THz至300 GHz。
红外光波具有很多应用领域，比如夜视器材、红外测温仪、红外线烘干机等。
有很多材料在红外光波段具有一定的透过性，但是在特定频率范围内表现更好的材料则被称为透红外材料。
这些材料通常应具有高的透过率、低的吸收率以及透过红外线的稳定性。
一种常见的透红外材料是硫化锌（ZnS）。
硫化锌透过2个红外光窗口，并且在大多数红外光透射物质中具有最高透过率。
它适用于红外线探测器和红外光波导器。
然而，其缺点是它易受潮、制备困难且成本较高。
另一个常用的透红外材料是硫化镉（CdS）。
硫化镉在1.2微米至12微米的红外光范围内具有较高的透过率，并且是一种相对便宜的材料。
但是，由于环境问题，硫化镉的使用越来越少，人们开始寻找替代的透红外材料。
目前，一种新型的透红外材料被广泛关注，即二氧化硅（SiO2）的涂层。
由于硅的化学性质以及其对红外光的低吸收特性，SiO2涂层具有很高的透过率。
而且，它的制备过程简单、成本较低。
因此，SiO2涂层在红外光滤波器、激光器、红外反射镜等领域具有广泛应用。
此外，还有一些有机材料如聚苯乙烯（PS）、聚四氟乙烯（PTFE）等在红外光波段具有较好的透过性。
这些有机材料在制备成薄膜时可以具有很高的透过率，并且可以通过调整薄膜厚度来调控透射红外光的波长范围。
综上所述，透红外材料是在红外光波段具有较高透过性的材料，可以广泛应用于红外光器件和设备中。
硫化锌、硫化镉、SiO2涂层和有机材料是其中常用的透红外材料。
随着技术的进步，人们对透红外材料的研究也会不断深入，相信未来会有更多新型的透红外材料问世。
红外线能穿透哪些材料
红外线能穿透哪些材料红外线是一种波长较长的电磁辐射，它在日常生活中被广泛应用于红外线热像仪、红外线遥控器等领域。
关于红外线的穿透性，人们常常会产生疑问，红外线究竟能穿透哪些材料呢？首先，我们来了解一下红外线的特点。
红外线的波长范围大约在700纳米到1毫米之间，因此它的穿透能力相对可见光来说更强。
在一定范围内，红外线可以穿透许多常见的材料，包括但不限于玻璃、塑料、纸张、布料等。
然而，红外线并非可以穿透所有材料，下面我们将分别介绍一些常见材料对红外线的穿透性。
首先，让我们来看看玻璃。
一般来说，普通玻璃对红外线的穿透性较好，可以让红外线比较容易地穿透。
这也是为什么我们可以通过玻璃窗看到外面的景象，因为红外线可以穿透玻璃，而可见光也能穿透玻璃。
然而，需要注意的是，一些特殊的红外线玻璃是专门用来阻挡或者选择性透过红外线的，这就需要根据具体的材料特性来进行选择。
其次，塑料是另外一个常见的材料。
大部分的塑料对红外线也有一定的穿透性，这也是为什么我们可以使用红外线遥控器来控制电视、空调等家电设备。
然而，一些特殊的塑料材料可能会对红外线产生屏蔽作用，因此在使用红外线设备时需要注意材料的选择。
再者，纸张和布料也是常见的材料。
红外线可以相对容易地穿透纸张和布料，这也是为什么我们可以在使用红外线热像仪时观察到人体的热量分布。
然而，需要注意的是，一些特殊的纸张和布料也可能会对红外线产生屏蔽作用，因此在实际使用中需要进行具体的测试。
除了上述提到的材料，一些金属材料、陶瓷材料等通常对红外线具有较强的屏蔽作用，因此红外线很难穿透这些材料。
当然，具体的情况还需要根据材料的具体特性来进行具体分析。
综上所述，红外线在一定范围内可以穿透许多常见的材料，包括玻璃、塑料、纸张、布料等。
然而，一些特殊的材料可能会对红外线产生屏蔽作用，因此在实际使用中需要根据具体情况进行选择。
希望本文能帮助大家更好地了解红外线的穿透性，谢谢阅读！。
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第二节 有机化合物的典型光谱
1．烷烃
（1）碳氢伸缩振动及弯曲振动
νC-H 接近又低于3000cm－1； asCH3 ＋ CH2 ； 当两个或三个甲基连接在同一碳原子上时，CH3峰分 裂为双峰；
-(CH2)n- n4， CH2峰出现在722 cm-1区有吸收，随 碳数的减少，吸收峰位有规律地向高波数方向移动；
解：~ 1 k
2πc μ
μ m1m2 m1 m2
C H的值：
（
12.01 1.008 12.01 1.008 ) 6 .02 10 23
1.54 10 24 g
k 4π 2c 2 μ~ 2 4π 2 ( 3.00 10 10 )2 ( 1.54 10 24 ) 3030 2
利用物质的分子对红外辐射的吸收，得到与分 子结构相应的红外光谱图，从而来鉴别分子结 构的方法，称为红外吸收光谱法（IR）。
近红外 0.76 ~ 2.5 um 中红外 2.5 ~ 25 um （4000 ~ 670 cm-1，即2.5 ~ 15 um 最广泛） 远红外 25 ~ 1000 um
芳烃ch31003000cm1之间有几三个16001500及1450cm1附近有三个吸收带前两个带是芳环的最重要特征带芳环与其他不饱和体系发生共轭1600cm1带往往分裂成1600及1580cm1两吸收带芳氢面外弯曲振动ch900650cm1单取代750690cm142邻二甲苯的红外光谱图邻二取代740cm1单取代2个吸收带750700cm1邻二取代1个吸收带740cm1间二取代23个吸收带870弱770700cm1对二取代1个吸收带800cm144倍频峰醇和酚分子间生成氢键而缔合oh伸缩振动36003200cm1之间co伸缩振动12601000cm1之间强度大从伯醇仲醇和叔醇吸收带向高频移动分别在105011001150cm1附近oh面外弯曲750650cm1之间oh面内弯曲1350cm146丙醇的红外光谱图47异丙醇的红外光谱图48叔丁醇的红外光谱图没有ohcoc伸缩振动1125cm1不对称强940cm1对称弱碳上有支链11701070cm1有两个吸收峰coc12751220cm1及10751020cm1两个强吸收峰50乙醚的红外光谱图51苯甲醚的红外光谱图伸缩振动饱和1720cm1芳酮向低频移动约20cm1不饱和酮向低频移动约40cm1伸缩振动1725cm1醛类在28202720cm1附近有cho两个吸收峰可与其他羰基化合物相区别
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气体将分解离化，产生出含碳基因的原子氢等，他 们的相互作用将促使构成金刚石的C-C sp3杂化键 形成从而在基片表面沉积出金刚石或金刚石膜。
HFCVD沉积系统的结构特点是装置简单，操作方便， 工艺特点是金刚石的生长速率较快，沉积参数范围 较宽，要求不严格，能获得质量较高、面积较大的 金刚石膜，便于实现工艺画生产，因此HFCVD法师 目前应用较多的一种方法。但对光学、电子应用的 金刚石膜的制备不合适。
3.2.2 等离子体化学气相沉积法
等离子体化学气相沉积法的基本原理是利用 气体放电使反应气体等离子化，分解出C、 CH、CH2和CH3等多种含碳性基团及原子氢， 从而在基片表面沉积出金刚石膜。根据放电 方式的不同，这类技术又分为直流等离子体 CVD、直流等离子体喷射CVD、高频等离子 体CVD、微波等离子体CVD、电子回旋共振 等离子体CVD和激光等离子体CVD法等。
3.热压多晶材料 4.红外透明陶瓷
5. 透红外塑料
6.金刚石和类金刚石膜
三、透红外材料的制备
（一）金刚石膜 金刚石是一种很受欢迎的红外透波材料，自被发现以
来，气优异的物理化学性能就吸引了全世界的目光， 但由于天然金刚石的尺寸和形状不能达到在光学方 面的应用，因此早期研究一直局限在其力学性能等 方面。这是由于在晶体材料中金刚石是唯一一种在 7—15um综合透光性、导热性、强度、硬度、耐蚀 性都比较理想的红外透波材料适合高温和恶劣环境 使用。
红外光学玻璃主要有以下几种：硅酸盐玻璃、铝酸 盐玻璃、镓酸盐玻璃、硫属化合物玻璃。
氧化铝透明陶瓷不只是透过近红外，而且还可以透 过可见光。稀有金属氧化物陶瓷是一类耐高温的红 外光学材料，其中的代表是氧化钇透明陶瓷。
ห้องสมุดไป่ตู้
塑料也是红外光学材料，但近红外性能不如其他材 料，故多被用于远红外。
1.透红外晶体材料 2.玻璃材料
透红外材料
制作者：范晓正 冯志强 曹卫红 张博
透红外材料
一、透红外材料的介绍 二、透红外材料的分类 三、透红外材料的制备 四、透红外材料的应用
一、透红外材料的介绍
透红外材料始指对红外线透过率高的材料，对这些 材料的要求，首先是红外光谱透过率要高，短短波 限要低，透过频带要宽，一般红外波段是0.7-20um。 透过率定义与可见光透过率相同，一般要求在50% 以上，同时要求透过率的频率范围要宽。对透红外 材料的发射率要求尽量低，以免增加红外系统的目 标特征，特别是军用系统易暴露。 这些材料还要求温度的稳定性要好，对水、气体稳 定。
学性能、发光特性和化学惰性，使它可作为 光学上的最佳应用材料。
（二）金刚石膜的制备
目前人们多采用低压气相沉积法制备金刚石膜， 低压气相法明显具有设备简单、能直接在金 刚石火非金刚石基体上生长金刚石膜等多种 优点。
低压气相合成金刚石技术可以分为下面三种类 型：（1）化学气相沉积（CVD）
（2）物理气相沉积（PVD）
3.2.3 燃烧火焰化学气相沉积法
燃烧是氧化还原反应，在谈情化合物气体预
先混入适当的氧气，燃烧时形成火焰，它分 为外焰（氧化焰）、内焰（还原焰）和焰心。 燃烧化学气相沉积就是利用氧-碳氢化合物燃 烧时火焰所产生的高温使火焰的内焰部分形 成一种类似于等离子体的环境，使反应气体 分子发生一定程度的离化，离解后的含碳基 团在原子氧的刻蚀作用下在基片表面沉积出 金刚石膜。
CVD金刚石膜相对其他红外材料具有十分优 异的物理性质，出了大约在3-5um位置存在 微小吸收峰外（由声子震动引起），从紫外 （0.22um）到远红外（毫米波段）整个波段， CVD金刚石膜都具有高的透过率，是大功率 红外激光器和探测器的理想窗口材料。CVD 金刚石膜的高透过率、高热导率、优良的力
(三）、类金刚石膜
随着对金刚石的深入研究和广泛应用，金刚石的工业需求也
越来越广。但是由于制备金刚石的工艺条件比较难以实现， 因此渴望找到一种可以替代金刚石的 功能材料。1971报道 了用粒子束沉积方法制备了一种坚硬的碳膜。它的化学组成、 光学透过率、硬度、折射率和在化学腐蚀剂中的惰性以及抗 摩擦性能十分相似于金刚石。因此，把它称之为类金刚石膜 （DLC）。近30多年来人们对类金刚石的合成、制备及其性 质等方面进行了广泛和深入的研究，出现了物理气相沉积和 化学气相沉积，主要的沉积方法有：离子束沉积、溅射沉积、 阴极电弧沉积、脉冲激光沉积、直接光化学气相沉积、等离 子化学气相沉积等。
二、透红外材料的分类
早期使用的是天然晶体如岩盐、水晶灯。后来随着 红外技术的发展，要求有更高质量的透红外材料， 目前已有单晶多晶、玻璃、陶瓷、塑料、金刚石和 类金刚石等许多品种。 单晶体主要有锗、硅半导体作为红外光学材料。硅 在力学性能和抗热冲击性上比锗要好得多，温度影 响也小，但硅的折射率高，使用时需要镀增增透膜， 以减少反射损失。另一类单晶体是离子晶体——碱 或碱土金属卤化物。
（1）类金刚石膜的制备方法 1.1物理气相沉积（PVD）是指在真空条件下，利用 某种物理过程，如物质的热蒸发火在受到粒子轰击 时物质表面原子的溅射等现象，实现物质原子从源 物质到膜的可控转移的过程。
1.1.1 离子束沉积 它是把碳离子一离子形式输送到基板表面进行沉积。 碳离子束可由碳氢气体离化产生，也可以通过溅射 碳靶获得，即由惰性气体或反应气体的离子束轰击 靶材材料表面，溅射出的靶材粒子再沉积到衬底上， 形成DLC的过程
（3）化学气相输运沉积（CVT）
根据激发方式的不同，CVD技术主要分为热丝化学 气相沉积、等离子体化学沉积、燃烧火焰化学气相 沉积等制备方法。
3.2.1 热丝化学气相沉积法
热丝化学气相沉积法（HFCVD)，也称热解化学气 相沉积。在由石英管或类似容器构成的真空反应室 上部水平安装以难熔金属材料如钨、钼等制成的灯 丝，并用直流或交流电源将灯丝加热到2000℃以上； 把用于沉积金刚石的基片置于热丝下方10mm左右 处，其温度控制在600-1100℃范围内；向真空室中 充入CH4等含碳气体和H2，并保证混合气体通过热 丝流向基片表面，混合的反应气体的压强控制在 101-104帕范围之内，这样在灯丝的高温作用下