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
由于暴露在光下,聚合物的降解会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。

光照射下的光引发和自由基形成
在UV照射下聚合物中产生的EPR信号(左)在加入HALS后被完全抑制,只有HALS EPR光谱被观察到(右)

聚合物的结构

用硝基氧化物自旋标记的聚电解质多层膜(PEM)的EPR研究。
多层聚电解质(含有离解离子基团的聚合物)是由带相反电荷的聚电解质交替吸附而形成的,这就是所谓的层接层技术。采用电子顺磁共振(EPR)技术研究了由强聚阳离子和弱聚阴离子组成的PEM薄膜。PEM薄膜的生长被监测,定量的EPR分析提供关于每个双层的信息。

聚阳离子/ tempo标记的聚阴离子多层膜与pH为4的缓冲溶液接触时的信号强度与双层NDL数量的关系。

油漆性能

油漆中的HALS EPR信号表明紫外线暴露后恶化。
漆膜变质的主要原因是粘结剂和某些颜料等多种组分的降解。这是由于长期暴露在紫外线(阳光)、湿气和冻融循环中自由基的形成。自由基具有高度的活性,可以在物质中形成或分解化学键。就油漆的耐久性而言,在曝光时,自由基实际上会破坏漆膜。这个过程和皮肤老化的过程非常相似。皮肤含有自由基,当暴露在阳光下数年,会显示出老化的迹象,包括皱纹,脱皮,晒斑和整体干燥。

紫外线照射后涂料中HALS(受阻胺光稳定剂)的EPR光谱

太阳能电池

用EPR检测非晶硅的缺陷。
硅是光伏产业中生产太阳能电池最常见的材料,无论是单晶还是多晶。顺磁缺陷的具体表征可以通过EPR来完成,以了解由降解引起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,顺磁缺陷的存在与这种材料的电荷收集效率之间存在很强的关系。

用EPR检测非晶硅中由于弱Si-Si键断裂引起的光致缺陷

过渡金属

纤锌矿薄膜中镁配位的测定
过渡基团、稀土离子和锕系离子是3d、4d、5d、4f和5f基团的成员,是一系列EPR研究的对象。使过渡元素成为EPR研究的有趣主题的一个方面是它们的可变价。例如,Zn1xMgxO配合物是一种用于氧化物半导体的通用功能材料,其在体块和界面上的原子排列决定了氧化物的重要性能。采用EPR法测定了异质外延纤锌矿Zn1xMgxO:Mn薄膜中的Mg配位。

数据提供安德烈亚斯博士Pöppl, Universitӓt莱比锡(J. Mater.)化学。C, 2015, 3, 11918)

在Zn为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的B┴c(上)和BIIc(下)。星号表示铁的信号3+和铬3+蓝宝石衬底中的杂质。