Surface Analysis by using Infrared Absorption Spectroscopy and Raman Scattering Spectroscopy

Abstract

1 ．分子振動と分光分析 分子内の原子間の振動 （原子間の距離の周期的変化，3 つ の原子の間の角度の周期的変化など） のエネルギーは量子化 されている。基底状態と励起状態とのエネルギー値としては， 大凡 0.01 eV から 0.5 eV の範囲にある。振動分光ではエネル ギーの表記として波数 （波長の逆数であり，単位は cm ） を 使うので，上記のエネルギーは大凡 100 cm から 5000 cm の範囲になる。なお，1 eV は波数単位で 8064 cm である。 低いエネルギー範囲は気体分子の回転のエネルギーに重なり， 高いエネルギー範囲は分子振動の倍音や 2 つの振動の結合バ ンドのエネルギー，あるいはバンドギャップが小さい半導体 の電子励起エネルギーに重なってくる。 分子振動の励起のエネルギー範囲は赤外光のエネルギーに 一致する。つまり，赤外光が物質内を通過する時に強度減少 が起こるのは，赤外光のエネルギーがその物質内の分子振動 の励起に使われたためである （図 1） 。 分子振動を測定するもう 1 つの方法は，ラマン散乱分光で ある。赤外光分光では光吸収を求めているが，ラマン散乱分 光では，可視光領域で対象分子から散乱する光強度を測定す る。分子内にある電子雲に電磁場を持つ光が作用すると，光 の電場の振動で電子雲も揺動する。図 2 に示すように揺動す る電荷粒子である電子雲からは入射光と同じエネルギーをも つ光が散乱放出される。この現象はレイリー散乱と呼ばれて いる。光の電場で揺動する原子雲を持つ原子が分子振動を受 けると，揺動する電子雲の振動に分子振動が加わるので，散 乱放出される光には，レイリー散乱光のエネルギーとは，分 子振動のエネルギーだけ異なるエネルギーを持つ光が散乱放 出される，所謂ラマン散乱光の放出である。レイリー散乱光 の強度は入射光強度に比較すると微弱であり，ラマン散乱光 は更に弱くなる。ラマン散乱光を測定するためには，光を微 小点に容易に集光できるレーダー光源と微弱可視光検出技術 が必須である。 分子振動のエネルギーは振動する原子の組により決まる。 具体的には，関係する原子の質量，原子間の距離，ならびに 原子間の結合の強さにより決まる。2 原子からなる気体分子 の原子間の振動 （ν） はフックの法則と従い，以下の式で記述 される． ν＝ （1/2π） （ k/μ） / k は結合の力の定数 （結合の強さ） であり，μは以下の式の 換算質量である． （1/ μ） ＝ （1/m ） ＋ （1/m ） ；m ，m は構成する 2 つの原子の質量 赤外光吸収分光ならびにラマン散乱分光による表面分析 大 塚 俊 明 a a 北海道大学大学院工学研究院 （〒 060-8628 北海道札幌市北区北 13 条西 8 丁目）