CBHD: GS.TS Lê Khắc Bình
Nhóm thực hiện:
1. Lê Hoàng Nam
2. Trịnh Thị Huỳnh Như
3. Đào Vân Thúy
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
BỘ MÔN VẬT LÝ ỨNG DỤNG
BỘ MÔN VẬT LÝ ỨNG DỤNG
Kỹ thuật phân tích vật liệu rắn
Kỹ thuật phân tích vật liệu rắn
Sermina
Sermina
Đề tài:




Th c m c xin liên h : ắ ắ ệ
Th c m c xin liên h : ắ ắ ệ
thanhlam1910_2006@yaho
thanhlam1910_2006@yaho
o.com
o.com

Giới thiệu
NỘI DUNG

Tương tác siêu tinh tế
Nguyên tắc của phương pháp EPR
Các quá trình hồi phục
Hiện tượng bão hòa
EPR spectrometer
Ứng dụng của EPR

Cộng hưởng thuận từ (electron
paramagnetic resonance – EPR) được
khám phá vào năm 1945 bởi nhà khoa học
Zavoisky.
EPR được ứng dụng rộng rãi trong hóa
học, vật lý, sinh học và y học…
EPR được ứng dụng để nghiên cứu cấu trúc
của chất lỏng, chất rắn và rất hữu ích trong
việc nghiên cứu quá trình động.
Zavoisky
Gi i thi uớ ệ

Trong từ trường B, Hi u ng Zeeman làm cho các mức năng ệ ứ
lượng làm nguyên tử có mô-men M
J
có năng lượng phụ
∆E = - M
JB
B
trong đó M
JB
là thành phần chiếu của vec-tơ lên chiều của từ
trường

M
JB
= - g µ
B
m
J
Do đó, ∆E = g µ
B
m
J
B
Nguyên tắc của phương pháp EPR
Khi chưa có từ trường ngoài, các trạng thái của nguyên tử có J xác đònh
( nguyên tử có mô-men từ M
J
) có cùng năng lượng E
0
nào đó. Mức
năng lượng E
0
khi đó có sự suy biến theo số lượng tử m
J
( độ suy biến
bằng 2J + 1 ).
mức năng lượng
2S+1
L
J
tách thành 2J + 1 mức cách đều
nhau. Độ lớn của sự tách này phụ thuộc vào cường độ từ

trường B và vào thừa số Landé , nghóa là phụ thuộc vào các số
lượng tử L, S và J của mức đang xét.

Sự tách mức năng lượng Zeeman trong từ trường.
Độ tách mức tỷ lệ tuyến tính với cường độ từ trường B.
Sự chuyển dời giữa hai mức năng lượng khi hấp thụ năng
lượng của bức xạ vi ba
h
ν
= g
µ
B
B.
gµ
B
B
Đường hấp thụ
Nguyên tắc của phương pháp EPR

3
F
1
D
3
P
1
G
1
S
~ eV

Tử ngoại
10
4
cm
-1
0,1 eV
Hồng ngoại xa
(100 cm
-1
)
J = 4
J = 3
J = 2
m
J
2
1
0
-1
-2
0,1 meV
Vi ba (1 cm
-1
)
ion tự do d
2
tương tác spin-quỹ đạo trong B
1 cm
-1
= 1,24 . 10

-4
eV
Nguyên tắc của phương pháp EPR

Phương pháp cộng hưởng thuận từ electron (EPR) - còn
được gọi là cộng hưởng spin electron (ESR) - đo sự hấp thụ
bức xạ vi ba tương ứng với độ tách năng lượng của electron
không có đôi khi đặt nó vào trong từ trường.
Nguyên tắc của phương pháp EPR
(a) Schematic representation of a single electron spin in a steady
magnetic field H
0
(b) Corresponding energy-level scheme.

Bức xạ tới hv bò hấp thụ bởi các electrons trong mức năng lượng thấp
làm cho chúng nhảy lên trạng thái có năng lượng cao hơn đồng thời cũng
có bức xạ cưỡng bức làm cho electron nhảy xuống mức thấp.
Vì các hệ số hấp thụ và bức xạ cưỡng bức bằng nhau nên sẽ không có
hấp thụ khi các spin phân bố đều giữa hai mức đó. Tuy nhiên nồng độ n
1

của trạng thái cơ bản lớn hơn n
2
nồng độ của trạng thái kích thích nên
có sự hấp thụ tổng cộng bức xạ vi ba.
Tỷ số của các nồng độ có thể được mô tả bởi phân bố Boltzmann
Vật liệu chứa các mômen từ nguyên tử thỏa mãn phân bố Boltzmann
được gọi là chất thuận từ.
Vì E = hv khi công hưởng, độ nhạy của kỹ thuật EPR tăng khi dùng tần
số cao của bức xạ và hạ thấp nhiệt độ đo.

)exp(
2
1
kT
E
n
n ∆
−=
Nguyên tắc của phương pháp EPR

Thoạt nhìn, có thể nghó phổ cộng hưởng của electron không có
đôi khi nào cũng như nhau.
Trên thực tế không phải như vậy vì trạng thái từ của electron
bò thay đổi bởi môi trường xung quanh nó. Chính sự thay đổi
này cho phép nghiên cứu cấu trúc của vật liệu đang nghiên
cứu.
Đường cộng hưởng bò mở rộng. Thực tế độ rộng của đường từ
vài milligauss cho các gốc tự do trong dung dòch đến 1000
gauss cho vài hợp kim loại chuyển tiếp trong trạng thái rắn.
Nguyên tắc của phương pháp EPR

Tương tác hyperfine là tương tác giữa mômen từ của 1 electron
với mômen từ của hạt nhân.
Giản đồ năng lượng cho một chất thuận từ với S=1/2 và I=1/2
Phổ EPR tuân theo quy tắc lọc lựa ∆m
s
= ±1, ∆m
I
= 0,
Tương tác siêu tinh tế(hyperfine)

Mômen từ hạt nhân trong từ trường có (2I+1) đònh hướng được phép
Từ trường liên quan đến mômen từ hạt nhân có thể cộng thêm hoặc
trừ đi từ trường ngoài tác dụng lên hệ spin electron

M
S
=±½
M
S
=-½
M
S
=+½
Electron
S(½)
M
I
=+½
M
I
=-½
M
I
=-½
M
I
=+½
Nucleus
I (½)
Quy tắc lọc lựa

∆M
S
= ±1; ∆M
I
= 0
Từ trường
S=½; I=½
Doublet
Tương tác siêu tinh tế
Tương tác siêu tinh tế

M
S
=±½
M
S
=-½
M
S
=+½
Electron
S (½)
M
S
= ±½
M
I
=+1
M
I

=-1
M
I
=-1
M
I
=+1
Nucleus
I (1)
M
I
=0,±1
Quy tắc lọc lựa
∆M
S
= ±1; ∆M
I
= 0
Magnetic Field
S=½; I=1
Triplet
M
I
= 0
M
I
= 0
Tương tác siêu tinh tế
Từ trường
Tương tác siêu tinh tế


Có thể thu thêm thông tin khi xét đến thời gian hồi phục.
Có thể đo được 2 thời gian quan trọng sau :

T
1
thời gian hồi phục spin-mạng liên quan đến sự trở lại
trạng thái cân bằng nhiệt của các electron ( hay hạt nhân
trong PP NMR ) bò kích thích bởi sự hấp thụ năng lượng điện
từ .

T
2
là thời gian hồi phục spin-spin liên quan đến sự không
đồng bộ về pha của sự tiến động của các electron bò kích thích
( hoặc hạt nhân trong phương pháp NMR ) quanh chiều của từ
trường.
Các quá trình hồi phục

Tương tác
trao oổi
SPIN
Các spin
khác
MẠNG TINH THỂ
T
2
T
1
T

1
*
T
2
≤ T
1
Thường T
2
<< T
1
T
1
và T
2
liên quan đến hai quá trình hồi phục độc lập xẩy ra
đồng thời
Các quá trình hồi phục

Tần số Từ trường Tỷ số lấp đầy
9.5 GHz 3390 G 0.9985
1.0 GHz 356.8 G 0.99985
250 MHz89.2 G 0.99996






−
−

+
=
kT
E
e
N
N
∆
Ở nhiệt độ phòng số spin ở mức năng lượng thấp và cao gần như
bằng nhau
Hiện tượng bão hòa
Vì hai mức spin có độ lấp đầy khá như nhau, phương pháp cộng
hưởng từ gặp khó khăn khi dùng bức xạ mạnh : Trường bức xạ
mạnh sẽ làm cân bằng độ lấp đầy giữa hai mức > sự hấp thụ ròng
giảm : Hiện tượng “bão hòa”.

Thừa số bão hòa
21
2
1
2
TTB1
1
S
γ
+
=
γ = 1,76x10
7
rad s

-1
G
-1

•
Khi S ~ 1, tín hiệu EPR tăng tuyến tính với
•
S ~ 1 when g
2
B
1
2
T
1
T
2
<< 1
P
•
Khi P tăng , từ trường B
1
tăng ( do nó tỷ lệ với căn bậc hai của P ) ,
g
2
B
1
2
T
1
T

2
tăng và S giảm .
•
Các giá trò T
1
và T
2
càng nhỏ , giá trò của S càng lớn với cùng B
1
và do
đó có thể dùng công suất cao hơn mà không có bão hòa.
Tín hiệu EPR tỷ lệ với số spin chưa có đôi trong mẫu nếu thừa số
bão hòa S ~ 1.
Hiện tượng bão hòa

Căn bậc hai của công suất
B
i
e
â
n

đ
o
ä

t
í
n


h
i
e
ä
u
Hiện tượng bão hòa

Trường cộng hưởng cho tín hiệu g = 2 ở các tần số vi ba khác nhau
Tần số (GHz) Trường cộng hưởng (Te)
1.1 0.0393
3.5 0.1250
9.25 0.3305
24.0 0.8574
35.0 1.2504
90 3.2153
180 6.4305
270 9.6458

Tuy X-band phổ biến nhất hiện nay, phổ kế EPR hoạt động
trên một vài giai tần số khác cũng có trên thò trường
Band ν/GHz
λ/cm
B
(electron)
/Tesla
S 3.0 10.0 0.107
X 9.5 3.15 0.339
K 23 1.30 0.82
Q 35 0.86 1.25
W 95 0.315 3.3