材料科学与物理中的EPR

聚合物降解

HALS成功地防止了聚合物的光氧化。必威官网体育下载
由于光暴露聚合物的降解导致聚合物变色和机械性能(弹性、韧性等)下降。为了防止这种分解,在聚合物中加入了受阻胺光稳定剂(HALS)。通过监测这些光稳定剂的EPR信号,可以评估其有效性。

光照射引起光引发和自由基形成
在加入HALS后,聚合物中UV照射时产生的EPR信号(左)被完全抑制,只有HALS的EPR光谱被观察到(右)

聚合物的结构

利用氮氧化物自旋标记的聚电解质多层膜(PEM) EPR研究。
多层的聚电解质(带有游离离子基团的聚合物)是由带相反电荷的聚电解质交替吸附形成的,称为逐层技术。用EPR研究了由强聚阳离子和弱聚阴离子组成的PEM膜,该膜通常以游离氮氧化物(4-氨基- tempo)自旋标记。对PEM薄膜的生长过程进行了监控,定量EPR分析提供了关于每个双层膜的信息。

聚阳离子/ tempo标记聚阴离子多层膜与pH为4的缓冲溶液接触时的信号强度取决于双层NDL的数量。

油漆性能

在油漆中有HALS EPR信号,表明紫外线照射后劣化。
漆膜变质的主要原因是几种组分的降解,包括粘合剂和某些颜料。这是由于长期暴露在紫外线(阳光)、湿气和冻融循环中形成的自由基造成的。自由基是高度活性的,可以形成或破坏物质中的化学键。在暴露在油漆耐久性的情况下,自由基实际上会损坏漆膜。这个过程与皮肤老化非常相似。皮肤含有自由基,暴露在多年的阳光下,会显示出老化的迹象,包括皱纹,脱皮,太阳斑和全面干燥。

紫外曝光后涂料中受阻胺光稳定剂的EPR谱图

太阳能电池

用EPR检测非晶态硅的缺陷。
在光伏产业中,无论是单晶还是多晶,硅都是生产太阳能电池最常用的材料。EPR可以对顺磁缺陷进行具体表征,以了解退化诱导的顺磁中心如何影响太阳能电池活性层的效率。对非晶硅光伏材料的EPR研究表明,顺磁缺陷的存在与材料中产生的电荷收集效率之间存在很强的关系。

EPR在非晶硅中检测到由弱硅键断裂引起的光诱导缺陷

过渡金属

纤锌矿薄膜中Mg配位的测定
过渡基团、稀土和锕系离子是三维、4d、5d、4f和5f基团的成员,是许多EPR研究的主题。使过渡元素成为EPR研究的有趣对象的一个方面是它们的可变价。例如,Zn1xMgxO配合物是一种多功能的氧化物半导体材料,其在体块和界面上的原子排列决定了氧化物的重要性质。采用EPR法测定了异质外延纤锌矿Zn1xMgxO:Mn薄膜中的Mg配位。

数据由Andreas博士提供Pöppl, Universitӓt莱比锡(J. Mater.)。化学。C, 2015, 3, 11918)

Zn在297 K时的实验和模拟EPR谱0.99毫克0.01O: Mn (pO2= 0.016 mbar, c= 0.05%)薄膜样品G5189为B┴c(上)和BIIc(下)。星号表示Fe的信号3+和铬3+蓝宝石衬底中的杂质。