68、外部反射光谱技术：原理与应用解析

外部反射光谱技术：原理与应用解析

1. 引言

红外外部反射光谱（IR - ERS）已成为探测表面分子结构和键合模式的强大工具。如今，借助高效的光谱仪和配件，测量已成为常规操作，其灵敏度足以轻松实现亚单分子表面层的测量。该技术最初源于对表面化学的研究需求，在20世纪50 - 60年代的早期实验中展现了其潜力。随着新材料技术的发展，对表面膜和表面处理的依赖增加，对该测量的需求也日益增长。

测量原理简单，特定角度的光入射到样品表面，监测镜面反射光。测量形式多样，如表面处理的块状样品反射、金属基底上的薄膜反射、水面上的分子单层反射等。不同类型实验获得的数据需不同处理方式。ERS光谱与透射光谱差异大，其输出反射率数据包含反射、折射和吸收等相互作用。尽管观测可能复杂，但数据可进行定性分析，若要定量分析，则需充分了解样品和采样配置，以考虑所有可能的光学异常。ERS能提供表面改性结构特征、单分子组装体的组成和空间组织、薄膜特性、表面化学过程、多层结构分析以及不透明材料的体相性质等信息，应用于微电子、催化、电化学、聚合物、生物材料、制药、矿物、宝石等领域。

可能遇到的样品类型如下：
|样品类型|特点|
| ---- | ---- |
|光学光滑表面|光镜面反射，遵循反射定律和折射定律|
|非光学厚薄膜|可检测到亚表面响应，第二界面可能与空气、金属、半导体或绝缘体接触，贡献不同光学响应|
|非光学平面或含散射中心材料|检测响应包含宽漫射分量|

其中，反射定律指反射光线位于入射光线所在平面，反射角等于入射角；折射定律指折射光线位于入射光线所在平面，入射角和反射角满足斯涅尔定律：$\frac{\sin\theta}{\sin\varp