อ่านสเปกตรัม UV-Vis ในเบราว์เซอร์: λmax, Beer–Lambert สี และ Tauc band gap
คำตอบสั้น ๆ: เปิดไฟล์ JCAMP-DX หรือ CSV/TXT ในโปรแกรมดู UV-Vis ของ MolDrawที่ใช้ฟรี หรือกดตัวอย่าง เช่น β-แคโรทีน โปรแกรมดูแสดงพีก λmax คำนวณ ε หรือความเข้มข้นจาก A = εcl บอกสีที่ตัวอย่างแสดง ซ้อนชุดข้อมูล และฟิตกราฟ Tauc เพื่อหาช่องว่างแถบพลังงาน ทำงานในเบราว์เซอร์ และไฟล์ของคุณอยู่บนอุปกรณ์ของคุณ
ลองใช้โปรแกรมดู UV-Vis ที่นี่
ทำไมต้องใช้โปรแกรมดูบนเบราว์เซอร์สำหรับข้อมูล UV-Vis
UV-Vis เป็นการวัดที่เร็วที่สุดอย่างหนึ่งในห้องปฏิบัติการ ส่วนที่ช้าคือหลังจากนั้น: คุณมีไฟล์และต้องการ λmax สัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสงเชิงโมลาร์ ภาพประกอบ หรือช่องว่างแถบพลังงาน ในสเปรดชีตหมายถึงการแปลงหน่วย หาค่าสูงสุดด้วยตา และสร้างกราฟเอง โปรแกรมดูทำขั้นตอนเหล่านี้ในหน้าเดียวโดยไม่ต้องติดตั้งอะไร
หลักวิทยาศาสตร์โดยย่อ
λmax โมเลกุลดูดกลืนแสง UV และแสงที่มองเห็นได้เมื่ออิเล็กตรอนย้ายไปออร์บิทัลที่สูงขึ้น เช่น การเปลี่ยนสถานะ π→π* หรือ n→π* λmax คือความยาวคลื่นที่แถบดูดกลืนแสงมากที่สุด คอนจูเกชันที่ยาวขึ้นเลื่อนไปที่ความยาวคลื่นยาวขึ้น β-แคโรทีนที่มีพันธะ C=C คอนจูเกตสิบเอ็ดพันธะดูดกลืนแสงในส่วนสีน้ำเงินของช่วงที่มองเห็นได้
หากต้องการทราบคร่าว ๆ ว่าสารควรดูดกลืนแสงที่ใดก่อนวัด ให้ทำนายแถบ UV-Vis จากโครงสร้างที่วาดด้วยปลั๊กอิน Spectroscopy
กฎ Beer–Lambert ค่าการดูดกลืนแสง A = εcl โดย ε คือสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสงเชิงโมลาร์ (L mol⁻¹ cm⁻¹) c คือความเข้มข้น (mol/L) และ l คือความยาวทางเดินแสง (cm) นอกจากนี้ A = −log10T กฎนี้ใช้ได้ดีที่สุดกับสารละลายเจือจาง
สี ตัวอย่างจะดูเป็นสีคู่ตรงข้ามกับแสงที่ดูดกลืน แถบในช่วงสีน้ำเงินทำให้สารละลายดูเป็นสีเหลือง แถบในช่วงสีเขียว เช่น ในเพอร์แมงกาเนต ทำให้ดูเป็นสีม่วง
กราฟ Tauc สำหรับสารกึ่งตัวนำ ให้พล็อต (αhν)2 เทียบกับพลังงานโฟตอน hν สำหรับการเปลี่ยนสถานะแบบตรงที่ยอมให้เกิด หรือ (αhν)1/2 สำหรับแบบไม่ตรงที่ยอมให้เกิด ลากส่วนที่เป็นเส้นตรงของขอบการดูดกลืนไปถึงศูนย์ จุดตัดคือค่าประมาณของช่องว่างแถบพลังงานเชิงแสง Eg
ไฟล์ที่เปิดได้
- JCAMP-DX (.jdx, .dx) โปรแกรมดูอ่านหน่วยของ x และ y จากไฟล์
- CSV หรือ TXT สองคอลัมน์ คอลัมน์ x เป็น nm, µm, cm⁻¹ หรือ eV ได้ คอลัมน์ y เป็นค่าการดูดกลืนแสงหรือการส่งผ่านแสงได้ ถ้าไม่มีหัวตาราง โปรแกรมดูจะเดาจากตัวเลข
เลือกหลายไฟล์พร้อมกันเพื่อซ้อนกัน หากต้องการฝึก ให้ใช้ตัวอย่างจำลองหรือดาวน์โหลดไฟล์ตัวอย่าง .jdx
วิธีวิเคราะห์สเปกตรัมทีละขั้น
- กด เปิดไฟล์ UV-Vis หรือวางไฟล์ลงในกล่อง หรือกดตัวอย่าง: β-แคโรทีน, KMnO4, ชุดสีย้อม (5 ความเข้มข้น), แถบช่องว่างพลังงานของ ZnO หรือ ไฟล์ .jdx ตัวอย่าง
- เลือก ค่าการดูดกลืนแสง หรือ %T สำหรับแกน y และ nm, eV หรือ cm⁻¹ สำหรับแกน x
- อ่านตาราง λmax peaks ซึ่งให้แต่ละพีกเป็น nm, eV และ cm⁻¹ พร้อมค่าการดูดกลืนแสงและสี เลื่อนแถบ ความเด่นของพีก ถ้าไหล่ของพีกหายไปหรือมีตุ่มเล็ก ๆ โผล่ขึ้น
- ในกล่อง Beer-Lambert ใส่ เส้นทางแสง l (cm) และ ความเข้มข้น เป็น mol/L, mmol/L หรือ µmol/L เพื่อให้ได้ ε และ log ε หรือใส่ ε เพื่อให้ได้ความเข้มข้น แตะแถวในตารางหรือกราฟเพื่อใช้ความยาวคลื่นอื่น ใช้ λmax อีกครั้ง สลับกลับ
- สำหรับช่องว่างแถบพลังงาน ให้เปิด กราฟ Tauc และแถบช่องว่างพลังงาน เลือก ทรานซิชัน แล้วกด ฟิตอัตโนมัติ หรือพิมพ์ค่า ฟิตจาก (eV) และ to เอง
- กด ส่งออก PNG, ส่งออก CSV หรือ PNG ของกราฟ Tauc
โปรแกรมดูทำอะไรได้บ้าง
| พีก | ค่าสูงสุดได้ถึงแปดค่าสำหรับสเปกตรัมที่เลือก เรียงจากมากที่สุด |
|---|---|
| Beer–Lambert | ε และ log ε จากความเข้มข้น หรือความเข้มข้นจาก ε ที่ λmax หรือความยาวคลื่นที่คุณแตะ คำเตือนจะปรากฏเมื่อ A สูงกว่า 1.5 |
| สี | สีของแถบที่เข้มที่สุดในช่วงที่มองเห็นได้ (380 ถึง 780 nm) จากวงล้อสีมาตรฐาน |
| การซ้อน | หลายสเปกตรัมในสีต่างกัน แต่ละอันมีช่องแสดงผล และมีตัวเลือกปรับแต่ละอันให้เป็นมาตรฐานตามค่าสูงสุดของตัวเอง |
| กราฟ Tauc | แบบตรงหรือไม่ตรง ช่วงฟิตอัตโนมัติหรือกำหนดเอง Eg เป็น eV และ nm และ R² |
| ส่งออก | PNG ของสเปกตรัมหรือกราฟ Tauc และ CSV ของสเปกตรัมที่มองเห็นในหน่วยปัจจุบัน |
วิธีใช้งานในชั้นเรียนและในห้องปฏิบัติการ
- คอนจูเกชันและสี: โหลด β-Carotene แล้วเพิ่ม KMnO4 ด้วย เพิ่มลงในกราฟแทนการแทนที่ เปรียบเทียบตำแหน่งที่แต่ละตัวดูดกลืนแสง และทำไมตัวหนึ่งดูเป็นสีเหลืองและอีกตัวเป็นสีม่วง
- ตรวจกฎ Beer–Lambert: โหลดชุดสีย้อม เลือกแต่ละสเปกตรัมตามชื่อแล้วใส่ความเข้มข้น ถ้ากฎใช้ได้ ε ควรออกมาใกล้เคียงกันทุกครั้ง
- ความเข้มข้นที่ไม่ทราบ: ใส่ ε จากกราฟมาตรฐานหรือเอกสารอ้างอิงเพื่อหา c
- ฟิล์มสารกึ่งตัวนำ: ใช้ตัวอย่าง ZnO เพื่อเรียนรู้วิธี Tauc แล้วเปิดสเปกตรัมฟิล์มของคุณเอง สำหรับสารกึ่งตัวนำอินทรีย์ ให้เปรียบเทียบช่องว่างเชิงแสงนั้นกับช่องว่างเชิงไฟฟ้าเคมีจากค่าประมาณ HOMO และ LUMO ในโปรแกรมดูไซคลิกโวลแทมเมทรี
- รายงานการทดลอง: ส่งออก PNG สำหรับภาพประกอบและ CSV สำหรับข้อมูล
เคล็ดลับและข้อจำกัด
- บันทึกแบลงก์ตัวทำละลายบนสเปกโทรมิเตอร์ โปรแกรมดูไม่ได้หักแบลงก์ให้
- ไหล่ที่อ่อนบนแถบใหญ่อาจไม่ปรากฏเป็นพีก
- กราฟ Tauc ใช้ค่าการดูดกลืนแสงแทนสัมประสิทธิ์การดูดกลืน α ซึ่งใช้ได้สำหรับหาจุดที่เส้นตัดศูนย์ สำหรับผงที่วัดด้วยการสะท้อนแบบกระจาย ให้แปลงเป็นฟังก์ชัน Kubelka–Munk ก่อนเปิดไฟล์
- ตรวจช่วงฟิตที่แรเงาและ R² ก่อนรายงาน Eg ช่วงอื่นอาจให้คำตอบต่างออกไป
- สีเป็นเพียงแนวทาง สีจริงยังขึ้นกับความกว้างของแถบ ความเข้มข้น และแหล่งกำเนิดแสง
- CSV ใช้ค่า x ของสเปกตรัมแรกกับสเปกตรัมที่มองเห็นทั้งหมด สเปกตรัมที่มีกริดต่างกันจึงถูกประมาณค่าในช่วง
คำถามและคำตอบ
ช่วงค่าการดูดกลืนแสงใดให้ผล Beer–Lambert ที่เชื่อถือได้
ควรให้อยู่ระหว่างประมาณ 0.1 ถึง 1 เมื่อสูงกว่า 1.5 แสงถึงตัวตรวจวัดน้อยมาก แสงหลงมีผล และเส้นจะโค้ง โปรแกรมดูจึงแสดงคำเตือน ให้เจือจางตัวอย่างหรือใช้เซลล์ที่สั้นลง
ทำไมตัวอย่างที่ดูดกลืนแสงสีน้ำเงินจึงดูเป็นสีเหลือง
เราเห็นแสงที่ไม่ถูกดูดกลืน ถ้าแถบหนึ่งดึงแสงสีน้ำเงินออกจากแสงขาว ส่วนที่เหลือจะดูเป็นสีเหลือง ซึ่งเป็นสีคู่ตรงข้ามบนวงล้อสี
ควรใช้กราฟ Tauc แบบตรงหรือแบบไม่ตรง
ใช้ชนิดการเปลี่ยนสถานะที่ทราบสำหรับวัสดุของคุณ เช่น ZnO มีช่องว่างแถบพลังงานแบบตรง และซิลิคอนแบบไม่ตรง ถ้าไม่ทราบชนิด ให้ระบุว่าใช้กราฟแบบใดเมื่อรายงานค่าช่องว่างแถบพลังงาน
ใช้โปรแกรมดูกับข้อมูลที่ยังไม่เผยแพร่ได้ไหม
ได้ หน้านี้อ่านและวาดไฟล์ของคุณในเบราว์เซอร์ ไฟล์จึงอยู่บนอุปกรณ์ของคุณ