Advantages of coincident XPS-Raman in the analysis of mineral oxide species

Význam tématu

Kombinace rentgenové fotoelektronové spektroskopie (XPS) a Ramanovy spektroskopie poskytuje komplexní pohled na chemické složení povrchu a molekulární strukturu materiálů. Eliminace nutnosti přesouvání vzorku mezi přístroji minimalizuje riziko kontaminace a zajišťuje, že všechna data pocházejí ze stejné oblasti vzorku.

Cíle a přehled studie

Cílem studie bylo demonstrovat výhody integrování systému Theta Probe ARXPS a DXR3 Flex Raman Spectrometer pro souběžnou analýzu minerálních oxidů. Jako modelové vzorky byly zvoleny polymorfní formy uhličitanu vápenatého (CaCO3) a oxidu titaničitého (TiO2).

Použitá metodika a instrumentace

• ARXPS Theta Probe Angle-Resolved XPS System
• iXR DXR3 Flex Raman Spectrometer
• MAGCIS (Monatomic and Gas Cluster Ion Source) s clusterovými ionty Ar1000+ (6 kV) a Ar2000+ (4 kV)
• TQ Analyst Software pro kvantitativní analýzu poměru polymorfů

Hlavní výsledky a diskuse

• CaCO3: po čištění Ar1000+ byly odstraněny organické i anorganické kontaminanty, XPS potvrdilo stechiometrický povrch. Ramanova spektroskopie rozlišila odlišné mřížkové vibrace aragonitu a kalcitu.
• TiO2: čištění Ar2000+ odstranilo uhlíkové znečištění bez vzniku sub-stoichiometrického TiO2-x. Valenční pásma XPS vykázala jen jemné rozdíly mezi anatase a rutile, zatímco výrazné posuny v Ramanových špičkách umožnily kvantifikaci poměru polymorfů pomocí nelineárního fittingu.

Přínosy a praktické využití metody

Kombinované měření XPS a Raman přináší rychlejší a spolehlivější analýzu bez přesouvání vzorku, přímé porovnání chemického složení a molekulární struktury v identické oblasti a široké uplatnění v průmyslové QA/QC, vývoji fotovoltaických článků, katalýze a studiu biomineralizace.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Rozšíření multimodálních přístrojů o další spektroskopické a mikroskopické techniky
• In situ a operando analýzy pro sledování dynamických procesů
• Automatizace měření a aplikace strojového učení pro rychlou interpretaci dat

Závěr

Integrování XPS a Raman spektroskopie na jednom přístroji umožňuje komplexní charakterizaci povrchů materiálů s vysokou přesností a efektivitou, protože spojuje kvantitativní chemickou analýzu a molekulární identifikaci v jedné koherentní metodě.

Reference

• Kontoyannis C.G., Vagenas N.V. Calcium carbonate phase analysis using XRD and FTRaman spectroscopy. Analyst 2000;125:251–255.
• Addadi L., Joester D., Nudelman F., Weiner S. Mollusk Shell Formation: A Source of New Concepts for Understanding Biomineralization Processes. Chem. Eur. J. 2006;12:980–987.
• White W.B. The carbonate minerals. In: Farmer V.C. (ed.) The Infrared Spectra of Minerals, Mineralogical Society of London, 1974, pp. 227–284.