Lire des spectres UV-Vis dans votre navigateur : λmax, Beer–Lambert, couleur et bandes interdites de Tauc
Réponse courte : ouvrez un fichier JCAMP-DX ou CSV/TXT dans le visualiseur UV-Vis MolDraw gratuit, ou appuyez sur un exemple comme β-Carotene. Le visualiseur liste les pics λmax, calcule ε ou la concentration avec A = εcl, nomme la couleur de l'échantillon, superpose une série et ajuste un tracé de Tauc pour une bande interdite. Il fonctionne dans votre navigateur, et vos fichiers restent sur votre appareil.
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Pourquoi utiliser un visualiseur dans le navigateur pour les données UV-Vis ?
L'UV-Vis est l'une des mesures les plus rapides au laboratoire. C'est après que cela prend du temps : vous avez un fichier et il vous faut λmax, un coefficient d'absorption molaire, une figure ou une bande interdite. Dans un tableur, cela signifie convertir des unités, chercher les maximums à l'œil et construire les graphiques à la main. Le visualiseur réalise ces étapes sur une seule page, sans rien installer.
La science en bref
λmax. Les molécules absorbent la lumière UV et visible quand un électron passe sur une orbitale plus haute, comme dans les transitions π→π* ou n→π*. λmax est la longueur d'onde à laquelle une bande absorbe le plus. Une conjugaison plus étendue la déplace vers les grandes longueurs d'onde. Le β-carotène, avec onze liaisons C=C conjuguées, absorbe dans la partie bleue du visible.
Pour avoir une idée approximative de l'endroit où un composé devrait absorber avant de le mesurer, prédisez les bandes UV-Vis à partir d'une structure dessinée avec le plugin Spectroscopie.
Loi de Beer–Lambert. L'absorbance vaut A = εcl, où ε est le coefficient d'absorption molaire (L mol⁻¹ cm⁻¹), c la concentration (mol/L) et l la longueur du trajet optique (cm). Par ailleurs, A = −log10T. La loi s'applique le mieux aux solutions diluées.
Couleur. Un échantillon prend la couleur complémentaire de la lumière qu'il absorbe. Une bande dans le bleu fait paraître une solution jaune. Une bande dans le vert, comme pour le permanganate, la fait paraître violette.
Tracé de Tauc. Pour un semi-conducteur, tracez (αhν)2 en fonction de l'énergie des photons hν pour une transition directe permise, ou (αhν)1/2 pour une transition indirecte permise. Prolongez la partie droite du front d'absorption jusqu'à zéro. Le point d'intersection estime la bande interdite optique, Eg.
Fichiers pris en charge
- JCAMP-DX (.jdx, .dx). Le visualiseur lit les unités x et y dans le fichier.
- CSV ou TXT à deux colonnes. La colonne x peut être en nm, µm, cm⁻¹ ou eV. La colonne y peut être une absorbance ou une transmittance. Sans en-têtes, le visualiseur devine d'après les nombres.
Sélectionnez plusieurs fichiers à la fois pour les superposer. Pour vous entraîner, utilisez les exemples simulés ou téléchargez l'exemple .jdx.
Analyser un spectre pas à pas
- Appuyez sur Open UV-Vis file(s) ou déposez des fichiers dans la zone. Vous pouvez aussi appuyer sur un exemple : β-Carotene, KMnO4, Dye series (5 conc.), ZnO band gap ou Sample .jdx file.
- Choisissez Absorbance ou %T pour l'axe des y, et nm, eV ou cm⁻¹ pour l'axe des x.
- Lisez le tableau λmax peaks. Il donne chaque pic en nm, eV et cm⁻¹ avec son absorbance et sa couleur. Déplacez le curseur Peak prominence si un épaulement manque ou si de petites bosses apparaissent.
- Dans le cadre Beer-Lambert, saisissez Path l (cm) et une Concentration en mol/L, mmol/L ou µmol/L pour obtenir ε et log ε. Ou saisissez ε pour obtenir la concentration. Touchez une ligne du tableau ou le graphique pour utiliser une autre longueur d'onde. Use λmax again revient à λmax.
- Pour une bande interdite, ouvrez Tauc plot and band gap, choisissez la Transition, et appuyez sur Auto fit ou tapez vos propres valeurs Fit from (eV) et to.
- Appuyez sur Export PNG, Export CSV ou Tauc PNG.
Ce que fait le visualiseur
| Pics | Jusqu'à huit maximums pour le spectre sélectionné, du plus grand au plus petit. |
|---|---|
| Beer–Lambert | ε et log ε à partir d'une concentration, ou la concentration à partir de ε, à λmax ou à une longueur d'onde que vous touchez. Un avertissement apparaît au-dessus de A = 1,5. |
| Couleur | La couleur de la bande visible la plus intense (380 à 780 nm), d'après un cercle chromatique standard. |
| Superposition | Plusieurs spectres de couleurs différentes, chacun avec une case d'affichage, et une option pour normaliser chacun à son maximum. |
| Tracé de Tauc | Direct ou indirect, plage d'ajustement automatique ou manuelle, Eg en eV et en nm, et R². |
| Exporter | PNG du spectre ou du tracé de Tauc, et CSV des spectres visibles dans les unités actuelles. |
Utilisations en cours et au laboratoire
- Conjugaison et couleur : chargez β-Carotene, puis ajoutez KMnO4 avec Add to the plot instead of replacing. Comparez où chacun absorbe et pourquoi l'un paraît jaune et l'autre violet.
- Vérifier la loi de Beer–Lambert : chargez la série de colorants. Sélectionnez chaque spectre par son nom et saisissez sa concentration. Si la loi s'applique, ε doit être à peu près le même à chaque fois.
- Concentration inconnue : saisissez ε issu d'un étalonnage ou de la littérature pour obtenir c.
- Films semi-conducteurs : utilisez l'exemple ZnO pour apprendre la méthode de Tauc, puis ouvrez le spectre de votre propre film. Pour un semi-conducteur organique, comparez ce gap optique au gap électrochimique tiré des estimations HO et BV du visualiseur de voltampérométrie cyclique.
- Comptes rendus de TP : exportez un PNG pour la figure et un CSV pour les données.
Conseils et limites
- Enregistrez un blanc de solvant sur le spectromètre. Le visualiseur n'en soustrait pas.
- Un faible épaulement sur une grande bande peut ne pas apparaître comme un pic.
- Le tracé de Tauc utilise l'absorbance à la place du coefficient d'absorption α. Cela convient pour trouver où la droite coupe zéro. Pour les poudres mesurées en réflexion diffuse, convertissez en fonction de Kubelka–Munk avant d'ouvrir le fichier.
- Vérifiez la plage d'ajustement ombrée et R² avant de rapporter Eg. Une autre plage peut donner une autre réponse.
- La couleur est indicative. La couleur réelle dépend aussi de la largeur de bande, de la concentration et de la source lumineuse.
- Le CSV place tous les spectres visibles sur les valeurs x du premier, donc les spectres sur des grilles différentes sont interpolés.
Questions et réponses
Quelle plage d'absorbance donne des résultats Beer–Lambert fiables ?
Visez des absorbances entre environ 0,1 et 1. Au-delà de 1,5, très peu de lumière atteint le détecteur, la lumière parasite pèse et la droite s'incurve : le visualiseur affiche alors un avertissement. Diluez l'échantillon ou utilisez une cuve plus courte.
Pourquoi un échantillon qui absorbe la lumière bleue paraît-il jaune ?
Nous voyons la lumière qui n'est pas absorbée. Si une bande retire la lumière bleue de la lumière blanche, le reste paraît jaune, la couleur complémentaire sur le cercle chromatique.
Dois-je utiliser un tracé de Tauc direct ou indirect ?
Utilisez le type de transition connu pour votre matériau. ZnO, par exemple, a un gap direct et le silicium un gap indirect. Si le type n'est pas connu, indiquez quel tracé vous avez utilisé en rapportant la bande interdite.
Puis-je utiliser le visualiseur avec des données non publiées ?
Oui. La page lit et trace vos fichiers dans le navigateur : les fichiers restent donc sur votre appareil.