材料科学与物理中的EPR

聚合物降解

HALS成功地阻止了聚合物的光氧化。
由于光照引起的聚合物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,阻碍胺光稳定剂(HALS)被添加到聚合物中。通过监测这些光稳定剂的EPR信号,可以评估它们的有效性。

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

聚合物的结构

使用氮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(带有游离离子基团的聚合物)是通过对电荷相反的聚电解质的交替吸附形成的,称为逐层吸附技术。用EPR研究了由强聚阳离子和弱聚阴离子组成的PEM膜,该膜通常用游离氮氧化物(4-氨基tempo)自旋标记。对PEM薄膜的生长进行了监测,定量EPR分析提供了每个双层的信息。

聚阳离子/ tempo标记聚阴离子多层膜与ph4缓冲溶液接触时的信号强度随双层NDL数量的变化而变化。

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几种成分的降解,包括粘合剂和某些颜料。这是由于长时间暴露在紫外线(阳光)、水分和冻融循环中形成的自由基造成的。自由基是高度活性的,在物质中形成或破坏化学键。在油漆耐晒的情况下,自由基实际上破坏了漆膜。这一过程与皮肤衰老的过程非常相似。皮肤含有自由基,暴露在多年的阳光下,会显示出衰老的迹象,包括皱纹、脱皮、晒斑和整体干燥。

涂料中受阻胺光稳定剂HALS在紫外线照射后的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硅。通过EPR可以对顺磁缺陷进行特定的表征,从而深入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。对非晶硅光伏的EPR研究表明,顺磁缺陷的存在与这种材料中产生的电荷收集效率之间存在很强的关系。

由于弱Si-Si键断裂,用EPR检测到非晶硅中的光致缺陷

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属于3d、4d、5d、4f和5f基团,是EPR研究的主题。使过渡元素成为EPR研究的有趣课题的一个方面是它们的可变价。例如,Zn1xMgxO配合物是氧化物半导体的多功能功能材料,其体和界面的原子排列决定了氧化物的重要性能。采用EPR法测定异质外延纤锌矿Zn1xMgxO:Mn薄膜中的Mg配位。

数据由安德烈亚斯博士提供Pöppl,莱比锡大学(J. Mater.)化学。C, 2015, 3,11918)

297 K Zn下的实验和模拟EPR光谱0.99毫克0.01O: Mn (pO2= 0.016毫巴,c= 0.05%)薄膜样品G5189为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。