傅立葉轉換紅外線光譜儀傅立葉轉換紅外線光譜儀Fourier Transform Infrared SpectroscopyFourier Transform Infrared Spectroscopy

指導教授指導教授 :: 吳坤憲吳坤憲 學生學生 :: 賴逸群賴逸群

劉彥伸劉彥伸 鄭韋治鄭韋治

簡述簡述近年来近年来 FTIRFTIR 較多在化學研究和化學分析領較多在化學研究和化學分析領域。其中红外線波段的半導體材料和器件域。其中红外線波段的半導體材料和器件研究工作發展很快，與其他一些領域的應研究工作發展很快，與其他一些領域的應用相比，中红外波段的半導體材料和儀器用相比，中红外波段的半導體材料和儀器研究中之研究中之 FTIRFTIR 方法有一些較特殊的要求，方法有一些較特殊的要求，也更重視發射光譜的量測。 也更重視發射光譜的量測。

紅外光譜簡述紅外光譜簡述一般定義是指波長在可見光（一般定義是指波長在可見光（ 0.78μm0.78μm ）和微波（）和微波（ 25μm25μm ））間的電磁波。從微觀的角度來看，分子是隨時保持著振動間的電磁波。從微觀的角度來看，分子是隨時保持著振動或轉動，若吸收適當頻率的紅外光，會使躍升為激發態的或轉動，若吸收適當頻率的紅外光，會使躍升為激發態的分子，所以可以透過紅外光譜來瞭解分子的結構，作為鑑分子，所以可以透過紅外光譜來瞭解分子的結構，作為鑑定分子結構的工具。紅外光檢測對於樣品來說，是屬於一定分子結構的工具。紅外光檢測對於樣品來說，是屬於一種非破壞性的分析，種非破壞性的分析，

紅外吸收光譜法紅外吸收光譜法(Infrared Absorption Spectrometry (Infrared Absorption Spectrometry ，， II

R)R)是以一定波長的紅外光照射物質時，若該是以一定波長的紅外光照射物質時，若該紅外光的頻率能滿足物質分子中某些基因紅外光的頻率能滿足物質分子中某些基因振動能級的躍遷頻率條件，則該分子就吸振動能級的躍遷頻率條件，則該分子就吸收這一波長的紅外光輻射能量，而由能量收這一波長的紅外光輻射能量，而由能量較低的基態振動躍遷到較高的能級的激發較低的基態振動躍遷到較高的能級的激發態振動能級。檢測物質分子對不同波長紅態振動能級。檢測物質分子對不同波長紅外光吸收強度，就可以得到該物質的紅外外光吸收強度，就可以得到該物質的紅外吸收光譜圖。吸收光譜圖。

傅立葉變換簡介傅立葉變換簡介

傅立葉變換儀器傅立葉變換儀器

傅立葉變換頻譜圖頻譜圖

測定干涉曲線

麥克遜遜干涉儀

傅立葉變換傅立葉變換

時域譜與頻域譜的對應關係

傅氏光譜儀主要元件傅氏光譜儀主要元件

光源光源光圈光圈

邁克遜干涉儀邁克遜干涉儀分光片分光片

氦氖雷射氦氖雷射檢測器檢測器

傅氏轉換紅外線光譜儀（傅氏轉換紅外線光譜儀（ FTIFTIRR ））

AVATAR 360 FT-IR

軟體軟體

檢測器檢測器

量子式的工作原理是電子能接收紅外光的能量，從價帶躍量子式的工作原理是電子能接收紅外光的能量，從價帶躍升至傳導帶。因此具有快速接收及靈敏度高的優點，但受升至傳導帶。因此具有快速接收及靈敏度高的優點，但受限於波長範圍及需用液氮冷卻限於波長範圍及需用液氮冷卻 ;; 故以熱輻射檢測器較普遍故以熱輻射檢測器較普遍使用。使用。利用紅外光譜儀的量測，一般可分為穿透和反射兩類，我利用紅外光譜儀的量測，一般可分為穿透和反射兩類，我們常藉由紅外光束穿過待測物質而獲得其穿透或吸收光譜，們常藉由紅外光束穿過待測物質而獲得其穿透或吸收光譜，但是當碰到不透光的樣品（如金屬板）或在某些光區不透但是當碰到不透光的樣品（如金屬板）或在某些光區不透光的樣品（如玻璃）中，因紅外光不穿透，無法由穿透光光的樣品（如玻璃）中，因紅外光不穿透，無法由穿透光譜瞭解其振動結構，因此我們進行反射光譜的量測，以獲譜瞭解其振動結構，因此我們進行反射光譜的量測，以獲得其結構的振動光譜。 得其結構的振動光譜。

麥克遜干涉儀麥克遜干涉儀工作原理是以干涉條工作原理是以干涉條紋經傅利葉轉換後得紋經傅利葉轉換後得出易懂的圖譜。由一出易懂的圖譜。由一可動的面鏡由步進馬可動的面鏡由步進馬達控制。所使用的分達控制。所使用的分光鏡可各穿透百分之光鏡可各穿透百分之五十及反射百分之五五十及反射百分之五十的入射光。十的入射光。

兩光束干涉兩光束干涉

麥克遜干涉儀原理麥克遜干涉儀原理

傅立葉變換紅外光譜儀工作原理圖傅立葉變換紅外光譜儀工作原理圖

探測器 放大濾波

器A/D D/A

干涉儀

樣品

干涉圖 紅外光譜圖

紅外光譜法對試樣的要求紅外光譜法對試樣的要求 (1)(1) 紅外光譜的試樣可以是液體、固體或氣體，一般紅外光譜的試樣可以是液體、固體或氣體，一般 應應要求試樣應該是單一組份的純物質，純度應要求試樣應該是單一組份的純物質，純度應 >98%>98% 或符合或符合商業規格，才便於與純物質的標準光譜進行對照。商業規格，才便於與純物質的標準光譜進行對照。 (2)(2) 試樣中不應含有游離水試樣中不應含有游離水 ((3)3) 試樣的濃度和測試厚度應選擇適當，以使光譜圖中的試樣的濃度和測試厚度應選擇適當，以使光譜圖中的大多數吸收峰的透射比處於大多數吸收峰的透射比處於 10%~80%10%~80% 範圍內。範圍內。

紅外光譜測定中的樣品處理技術紅外光譜測定中的樣品處理技術 1 .1 . 氣體樣品氣體樣品2 .2 . 液體和溶液樣品液體和溶液樣品 ::

(1)(1) 液體池法 液體池法 (2)(2) 液膜法液膜法 3 3 固體試品固體試品 ::

(1)(1) 壓片法壓片法 (2)(2) 石蠟糊法石蠟糊法 (3)(3) 薄膜法薄膜法

水平式結構水平式結構 MIS(Metal-Insulator-SeMIS(Metal-Insulator-Semcomductor)mcomductor) 太陽能電池太陽能電池

所使用的基版是絕緣的所使用的基版是絕緣的 GaAsGaAs 晶圓片，並晶圓片，並用用 MBEMBE 在其上成長在其上成長 CuInSeCuInSe22 或或 CuGaSeCuGaSe22

化合物半導體薄膜，再利用液相沉積法成化合物半導體薄膜，再利用液相沉積法成長一層二氧化矽長一層二氧化矽 (SiO(SiO22)) ，再利用濺鍍法濺，再利用濺鍍法濺鍍一層鍍一層 MoMo 金屬，以製造出液相沉積法金屬，以製造出液相沉積法 -MI-MISS 太陽能電池太陽能電池

液相沉積法液相沉積法(1)(1) 傅立葉轉換紅外光譜儀傅立葉轉換紅外光譜儀(2)(2) 橢圓儀橢圓儀(3)(3) 掃描式電子顯微鏡掃描式電子顯微鏡 (SEM)(SEM)

(4)(4) 穿透式電子顯微鏡穿透式電子顯微鏡 (TEM)(TEM)

(5)(5) 光學顯微鏡光學顯微鏡 (OM)(OM)

SiOSiO22薄膜的鍍製薄膜的鍍製

由由 NagayamaNagayama等人提出液相沉積法，沉積等人提出液相沉積法，沉積溶液中化學如下所示溶液中化學如下所示 ::

HH22SiFSiF66+2H+2H22O 6HF+SiOO 6HF+SiO

HH33BOBO33+4HF BF+4HF BF--+H+H33OO+++2H+2H22OO

FTIRFTIR 量測在量測在 In-richIn-rich 之之 CulnSeCulnSe22上，用上，用 LPDLPD法在不同濃度下成長法在不同濃度下成長 SIOSIO22TT 的鍵結曲線變化的鍵結曲線變化

2O

2O

溶液濃度表溶液濃度表

較快的沉積速率所使用的溶液表 較佳絕緣體層折射率所需使用的溶液表

FTIRFTIR 優於色散式系統光譜儀的特點 優於色散式系統光譜儀的特點

掃描速度快掃描速度快。。

高分辨率 高分辨率 。。

靈敏度高靈敏度高。。

結論結論 現代紅外光譜議是以傅立葉變換為基礎的現代紅外光譜議是以傅立葉變換為基礎的

儀器。該類儀器不用棱鏡或者光柵分光，儀器。該類儀器不用棱鏡或者光柵分光，而是用干涉儀得到干涉圖，採用傅立葉變而是用干涉儀得到干涉圖，採用傅立葉變換將以時間為變數的干涉圖變換為以頻率換將以時間為變數的干涉圖變換為以頻率為變數的光譜圖。傅立葉紅外光譜儀的產為變數的光譜圖。傅立葉紅外光譜儀的產生是一次革命性的飛躍。生是一次革命性的飛躍。

ENDEND

HT-7HT-7 光學多通道分析儀光學多通道分析儀

工作原理工作原理

為什麼為傅立葉轉換光譜儀為非破壞性為什麼為傅立葉轉換光譜儀為非破壞性

Ans:Ans: 樣品在進行紅外光譜量測之後，並不會樣品在進行紅外光譜量測之後，並不會造成原本結構的破壞或改變。造成原本結構的破壞或改變。

光圈和光源光圈和光源用來控制光過的量，避免檢測器負載過大，用來控制光過的量，避免檢測器負載過大，另外可限制光通過樣品的角度。另外可限制光通過樣品的角度。依實驗所需之波長範圍來選用不同光源。依實驗所需之波長範圍來選用不同光源。氦氖雷射氦氖雷射儀器中的低功率氦氖雷射，是作為傅氏轉儀器中的低功率氦氖雷射，是作為傅氏轉換時的參考光束，用於干涉條紋之記錄，換時的參考光束，用於干涉條紋之記錄，與紅外光所測得的干涉條紋做比較，以便與紅外光所測得的干涉條紋做比較，以便電腦做傅利葉轉換用。電腦做傅利葉轉換用。

氣體樣品氣體樣品 可在可在玻璃氣槽玻璃氣槽內進行測定，它的兩端粘有內進行測定，它的兩端粘有紅外透光的紅外透光的 NaClNaCl 或或 KBrKBr 窗片。先將氣槽抽窗片。先將氣槽抽真空，再將試樣注入 真空，再將試樣注入

液體和溶液試樣液體和溶液試樣 （（ 11 ）液體池法）液體池法 沸點較低，揮發性較大的試樣，可注入沸點較低，揮發性較大的試樣，可注入封封

閉液體池閉液體池中，液層厚度一般為中，液層厚度一般為 0.01~1mm0.01~1mm 。。（（ 22 ）液膜法）液膜法沸點較高的試樣，直接滴在沸點較高的試樣，直接滴在兩片鹽片之間，，形成液膜。形成液膜。 對於一些吸收很強的液體，當用調整厚度對於一些吸收很強的液體，當用調整厚度的方法仍然得不到滿意的譜圖時，可用適的方法仍然得不到滿意的譜圖時，可用適當的溶劑配成稀溶液進行測定。 當的溶劑配成稀溶液進行測定。

固體試樣固體試樣 （（ 11 ）壓片法）壓片法

將將 1~2mg1~2mg 試樣與試樣與 200mg200mg 純純 KBrKBr 研細均勻，研細均勻，置於模具中，用（置於模具中，用（ 5~105~10）） 107Pa107Pa 壓力在壓力在油壓機上壓成透明薄片，即可用於測定。油壓機上壓成透明薄片，即可用於測定。試樣和試樣和 KBrKBr 都應經乾燥處理，研磨到粒度都應經乾燥處理，研磨到粒度小於小於 22 微米，以免散射光影響微米，以免散射光影響。。

固體試樣固體試樣（（ 22 ）石蠟糊法）石蠟糊法

將乾燥處理後的試樣研細，與液體石蠟或將乾燥處理後的試樣研細，與液體石蠟或全氟代烴混合，調成糊狀，夾在鹽片中測全氟代烴混合，調成糊狀，夾在鹽片中測定。定。

（（ 33 ）薄膜法）薄膜法 主要用於高分子化合物的測定。可將它們主要用於高分子化合物的測定。可將它們

直接直接加熱熔融後塗制或壓制成膜。也可將。也可將試樣溶解在低沸點的易揮發溶劑中，塗在試樣溶解在低沸點的易揮發溶劑中，塗在鹽片上，待溶劑揮發後成膜測定。鹽片上，待溶劑揮發後成膜測定。

FTIRFTIR 量測範圍量測範圍