4.2 La spettroscopia Infrared Reflection

La spettroscopia infrarossa è una tecnica non distruttiva che permette di caratterizzare una sostanza attraverso la misura dell'energia assorbita dalle molecole nel passaggio tra stati vibrazionali diversi. Ogni moto vibrazionale ha luogo ad una determinata frequenza, che è caratteristica della molecola e della particolare vibrazione^4.1. L'energia associata ad un particolare moto vibrazionale è determinata dall'ampiezza di vibrazione. In accordo con la meccanica quantistica, solo alcune energie vibrazionali sono permesse, e corrispondono ad una serie di livelli di energia o stati vibrazionali. L'insieme degli stati vibrazionali permessi è caratteristico di ciascuna molecola e la individua univocamente. Se la molecola, inizialmente ad un livello vibrazionale di energia $\epsilon_i$, è investita da un'onda elettromagnetica per semplicità monocromatica, può esser promossa ad un livello vibrazionale permesso $\epsilon_f$, se:

$$\epsilon_f - \epsilon_i = h \nu$$

con n frequenza dell'onda elettromagnetica. Le frequenze della radiazione richieste per causare una transizione tra livelli vibrazionali sono comprese tra 150 e 4000 cm^-1; le corrispondenti lunghezze d'onda sono quindi comprese tra 2.5 e 62.5 mm, appartengono cioè al medio infrarosso, da cui il nome infrared. Classicamente è possibile dare una spiegazione qualitativa del fenomeno alla base della spettroscopia infrarossa. Si consideri una molecola polare, che presenti cioè un momento di dipolo $\vec{\mu}$; nel sistema di coordinate x_i si definisce momento di transizione del dipolo il vettore:

$$\vec{M_i }= \frac{\partial}{\partial x_i}\vec{\mu}$$

Associato ad una variazione del momento di dipolo vi è un campo elettromagnetico, che interagisce con un eventuale campo elettromagnetico esterno alla molecola e oscillante alla corretta frequenza. Un particolare modo vibrazionale è IR-attivo, cioè assorbe radiazione infrarossa, se il moto vibrazionale associato produce un cambiamento del momento di dipolo. L'intensità della luce assorbita è proporzionale al quadrato del prodotto scalare tra il campo elettrico e $\vec{M_i}$:

$$I_i \propto \vert \vec{M_i}\cdot \vec{E}\vert^2 = \vert \vec{M_i}\vert^2 \vert\vec{E}\vert^2 \cos^2 \theta$$

dove $\theta$ è l'angolo tra $\vec{M_i}$ e $\vec{E}$. Se $\vec{M}$ e $\vec{E}$ sono ortogonali, non ha luogo nessuna transizione tra livelli vibrazionali [20]. Uno spettro infrarosso è generalmente dato dalla percentuale della luce trasmessa dal campione verso la frequenza della luce infrarossa incidente espressa in cm^-1. Equivalentemente, si può raccogliere lo spettro della luce riflessa dal campione (spettroscopia infrared reflection), soprattutto nel caso di solidi in cui la trasmissione è affetta da perdite dovute ad impurità e difetti.
L'apparato sperimentale utilizzato per le misure infrared reflection è uno spectrophotometer Specord M80, e consiste in un monocromatore per selezionare la lunghezza d'onda incidente, un sistema ottico per focalizzare la radiazione infrarossa incidente sul campione e riflessa, e un fotorivelatore. L'IR reflection fornisce informazioni sulla struttura e sui legami chimici della zona superficiale di un campione fino ad una profondità di 1-2 mm. In particolare nel niobato di litio è utilizzata nella rivelazione di strutture superficiali costituite da più fasi. L'interferenza tra la radiazione riflessa all'interfaccia tra due fasi diverse determina un nuovo picco nello spettro della sostanza in esame [30].

Figura 4.6: Spettro IR reflection per il campione 7h.

Figura 4.7: Spettro IR reflection per il campione 9h.

Figura 4.8: Spettro IR reflection per il niobato di litio puro.

Dal momento che nelle misure m-lines l'accoppiamento della luce nei campioni diffusi è risultato difficile, è stata analizzata la zona superficiale dei campioni 7h e 9h. Sono stati acquisiti gli spettri IR reflection nel range 400-1000 cm^-1 dello spettro vibrazionale del reticolo, con un angolo di acquisizione a=70° (figure 4.6 e 4.7). Dal confronto con la figura 4.8 dello spettro del niobato di litio puro [7], si osserva l'apparizione di un nuovo picco negli spettri di entrambi i campioni 7h e 9h, alla frequenza di 800-900 cm^-1. La presenza di un nuovo picco è da attribuire alla formazione di un layer superficiale, costituente una fase, in cui la concentrazione del ferro è superiore alla sua solubilità nel niobato di litio. La presenza della fase è suggerita anche dal colore giallo-ocra dei campioni. Dal momento che i campioni 7h e 9h presentano modi guidati, lo spessore del layer può essere stimato qualitativamente in meno di 0.5-0.8mm [31].

Guide di luce in niobato di litio drogato con ferro per applicazioni olografiche
Barbara Imperio
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