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学术知识

冷热台HCS在钙钛矿锰氧化物的辐射调控中的变温傅里叶红外光谱测试应用

傅立叶红外光谱(Fourier Transform Infrared Spectroscopy,FTIR)是一种通过测量物质与红外辐射的相互作用来分析样品的技术。其原理基于分子在吸收红外光时会发生振动和转动,每种分子都有一组特定的振动频率,因此每种化学物质都有其独特的红外光谱图谱。FTIR 的工作原理是利用干涉仪将样品产生的红外光分解成不同频率的组分,然后通过傅立叶变换将这些组分转换为频谱。这样可以获得样品的红外光谱图谱,进而确定样品中存在的化学成分和它们的相对含量。[1]

傅里叶红外光谱(FTIR)可以测试许多样品的性能和特性,可以用于以下几个方面:

1.在化学成分和结构分析中,FTIR 可以确定样品中的化学成分、官能团和化学键的类型、数量和结构。这对于确定未知样品的组成或确认已知化合物的纯度都非常有用。

2.在功能性群检测中,通过检测样品中存在的特定官能团,FTIR 可以帮助确定样品的功能性群,如羟基、羰基、醇基等,这对于确定样品的性质和用途至关重要。

3.在质量控制中,FTIR 可以用于对产品进行质量控制,例如药品、食品、聚合物和化工产品等。通过与标准光谱进行比较,可以确定产品的质量是否符合要求。

4.在结构性质研究中,FTIR 可以提供关于材料的结构、形态、晶型和相变等方面的信息,这对于研究材料的性质和应用具有重要意义。

5.在反应动力学研究中,通过监测反应过程中化学键的变化,FTIR 可以用于研究化学反应的动力学、机理和速率常数等。

而在冷热台低温或变温条件下进行 FTIR 测试有以下好处: 低温下可以观察样品的相变行为,如冷冻、凝固、结晶等,从而更全面地了解样品的性质。变温条件下可以研究样品在不同温度下的红外光谱变化,从而了解样品的热稳定性、反应动力学和热解特性。低温下可以减少样品的热运动,从而使得红外光谱中的峰更为清晰,有助于准确识别样品中的功能性群和化学键。此外,对于液态样品,在低温下可以将其冻结,从而固定样品的结构,避免在测试过程中发生变化,保证测试结果的准确性。

因此,低温或变温条件下的FTIR测试可以应用于化学分析、材料科学、制药工业、食品和农业、环境监测、生命科学、医学诊断等领域。

 

钙钛矿锰氧化物的辐射调控研究为例,全球气候变化引发的气候和能源危机,以及我国承诺实现碳中和的目标,使得近年来低碳排放的替代技术受到广泛关注。被动辐射冷却(PRC)技术因其无需能量输入,通过大气透射窗口传递热量至空间,成为研究热点。此外,可再生热能和冷能资源亦备受瞩目。在热能利用方面,已研发出超材料、光子晶体、多层金属/陶瓷薄膜等选择性吸收材料。对于冷能利用,被动夜间辐射冷却已广泛研究,随着材料技术的发展,被动日间辐射冷却近年来亦备受关注。然而,这些材料的辐射能量收集均为静态方式。因此,研发连续、高效的热能和冷能获取智能集成系统显得尤为重要。W.  Du等[2]人提出了一种自适应智能集成热能和冷能获取的辐射调控材料,该材料能在夜间实现被动辐射冷却,白天则实现光热转换,无需外部干预,实现了智能集成热能和冷能获取的连续、高效、无需外部干预的特点,为解决全球能源和环境问题提供了新思路。作者通过制备氧化物陶瓷薄膜,包括氧化镧锶锰(LSMO)和氧化铟锡(ITO)薄膜,测量了薄膜在红外波段在不同温度下的反射率和吸收率,如图1所示。

冷热台HCS在钙钛矿锰氧化物的辐射调控中的变温傅里叶红外光谱测试应用

图1 钙钛矿器件的热辐射特性曲线包括红外反射光谱曲线(a)和红外发射率曲线(b)

 

在该研究中,红外光谱仪主要用于测量和分析掺杂的钙钛矿锰氧化物的光学特性,特别是在不同温度下的变化。这种仪器通过测量物体对红外光的吸收或反射,可以揭示出物质内部的分子结构和化学键信息。在变温下的测试,红外光谱仪可以观察到钙钛矿锰氧化物从铁磁金属态到顺磁绝缘态的转变过程。随着温度的变化,这种材料的反射光谱也会发生变化,这反映了其内部电子结构和光学性质的变化。通过红外光谱仪的测量,可以精确地跟踪这些变化,从而理解材料的物理性质和行为。因此,红外光谱仪在钙钛矿锰氧化物的研究中起到了关键的作用,它提供了关于材料光学特性和电子结构的重要信息,有助于我们更深入地理解这种材料的物理性质和应用潜力。

 

为实现低温/变温场景的测试,武汉光谷薄膜可提供全套解决方案,通过冷热台(HCS-1L)和傅里叶红外光谱仪的光路匹配设计,保持原有光学测试的完整性,又实现样品在78-800K的可控范围内。

 

冷热台(HCS-1L)是能够提供很好的温度梯度和高稳定性的温度场,具有78--800K的宽温度范围、0.1K的高精度控温等特性,并可以为客户设计定制化样品台,匹配客户检测设备,可实现在低温下或变温下电学、磁学、电磁学、光学、光电学、热力学、力学、声学等性能测试。

 

[1] 邱颖, 陈兵, 贾东升. 红外光谱技术应用的进展[J]. 环境科学导刊, 2008, 27(B06): 23-26.

[2] Du W, Fan D, Fan J. Thermally and electrically tunable infrared perovskite devices for alternatively cooling and heat energy harvesting[J]. Ceramics International, 2024, 50(7): 10667-10675.

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