CN106959283B - 一种基于泵浦探测的红外原位反应测试装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的基于泵浦探测的红外原位反应测试装置，包括原位反应池、气体缓冲混合池、底座及样品装置，其中，原位反应池包括中空的反应池壳体、探测窗片、泵浦窗片、样品口接头和抽气口接头；气体缓冲混合池包括中空的混合池壳体、卡口接头、针阀和两个球阀接头；其中，混合池壳体通过球阀与抽气口接头连接；底座用于支撑原位反应池；样品装置包括样品托和顶盖；样品托与顶盖连接并用于承载样品，使得样品处于通过探测窗片的光路与通过泵浦窗片的光路的交汇处；顶盖与样品口接头可拆卸地连接。该测试装置可与红外光谱仪配套使用，获得不同气氛和压力下的反射、透射、吸收的瞬态光谱。本发明还提供了该测试装置的使用方法，该方法操作便捷。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于泵浦探测的原位反应测试装置，特别涉及一种基于泵浦探测的红外原位反应测试装置及其使用方法。
背景技术
泵浦探测技术是利用泵浦光激发样品，同时一束探测光来探测样品在激发后的变化，主要用来研究对光有响应的材料的载荷子动力学特性。根据泵浦光的频率及时间分辨率，可得到不同时间尺度的光生载荷子动力学特性；根据探测光的波长不同，可得到不同能量尺度的光生载荷子动力学特性。目前的研究已经从秒或者毫秒的宏观尺度延伸到了皮秒或飞秒的微观尺度。红外原位技术原本是用于探测化学反应初始态、中间态及终态产物的方法，泵浦探测技术结合原位红外测试技术可以研究高能量的光激发半导体后，浅能级(0.05～0.5eV)态的电子动力学特性。然而，若没有原位反应装置，这个技术只能探测室温常压下的材料特性，常温常压下的载荷子特性由于受到热电子的影响而导致信噪比差且数据可靠度低，同时空气在样品表面的吸附形成的缺陷态能级的能量范围在红外和微波的能量波段，探测得到的信号由于非常复杂而很难区分，更难以深入理解和分析。若有了反应池，可以通过改变与半导体反应的物种类型，研究条件变化对于载荷子动力学特性的影响，从而更深入的理解载荷子的迁移机制，有利于找到更好的方法来提高材料的性能。然而，现有的原位反应装置不能向原位反应池中填充不同的气体，不能用于研究不同气体与样品的反应。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于泵浦探测的红外原位反应测试装置，其可与红外光谱仪配套使用，获得不同气氛和压力下的透射、吸收的瞬态光谱。
本发明的目的还在于提供一种基于泵浦探测的红外原位反应测试装置的使用方法。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种基于泵浦探测的红外原位反应测试装置，包括原位反应池、气体缓冲混合池、底座及样品装置，其中，
原位反应池包括中空的反应池壳体，反应池壳体的两端设置探测窗片；反应池壳体侧面设置中空的壳体分支，壳体分支的末端设置泵浦窗片；反应池壳体上还设置样品口接头和抽气口接头；
气体缓冲混合池包括混合池壳体，混合池壳体上设置卡口接头、两个针阀、真空装置球阀接头和抽气口球阀接头；其中，卡口接头接堵头备用，真空装置球阀接头连接真空装置球阀后与真空装置连接，抽气口球阀接头连接抽气口球阀后连接三通，三通另两个接口一个连接真空规探头，另一个通过波纹管与抽气口接头连接；
底座用于支撑原位反应池；
样品装置包括样品托和顶盖；样品托与顶盖连接并用于承载样品，使得样品处于通过探测窗片的光路与通过泵浦窗片的光路的交汇处；顶盖与样品口接头可拆卸地连接。
其中，针阀用于与供气装置连接，堵头可以堵住卡扣接头，也可以接入外的针阀或三通，用于测试装置的扩展。
其中，壳体分支与反应池壳体内部的腔道使得通过探测窗片的光路与通过泵浦窗片的光路相交。
其中，根据“反应池壳体设置中空的壳体分支”，本领域技术人员应当知晓，该壳体分支与反应池壳体是连接的，该连接不仅是外壳上的连接，而且内部的空腔也应当是联通的。
优选地，所述探测窗片与反应池壳体之间可拆卸地连接。更进一步优选地，探测窗片与反应池壳体之间通过法兰连接。
优选地，所述泵浦窗片与壳体分支之间可拆卸地连接。更进一步优选地，泵浦窗片与壳体分支之间通过法兰连接。
优选地，真空装置是机械真空泵。
优选地，针阀直接与某一种气体的供应装置连接。
优选地，反应池壳体为圆筒状壳体，壳体分支为圆筒状壳体，反应池壳体的轴心与壳体分支的轴心相交。进一步优选地，反应池壳体的轴心与壳体分支的轴心呈45°夹角。
进一步优选地，反应池壳体的轴线方向水平。
进一步优选地，壳体分支的轴线在水平方向。
优选地，反应池壳体上设置中空的样品分支，样品分支的末端设置样品口接头；样品分支的侧面设置抽气口接头。更进一步地，所述样品分支为圆筒状。更进一步地，样品分支垂直于反应池壳体，其中，样品分支垂直于反应池壳体指的是，样品分支的轴心垂直于通过探测窗片的光路。
进一步优选地，样品分支设置在反应池壳体的上方。
优选地，底座包括底板和托架，托架与反应池壳体配合，托架与底板之间通过固定螺丝连接，固定螺丝能调节托架与底板之间的距离。进一步优选地，底板上具有定位槽，定位槽用于与布鲁克红外光谱仪适配。
进一步优选地，托架的形状与反应池壳体的下侧面的形状配合。
进一步优选地，顶盖上固定设置至少两个螺柱，样品托具有连接板，连接板上具有与螺柱配合的固定通孔，螺柱穿过固定通孔并与螺母配合。
优选地，气体缓冲混合池、原位反应池、底座和顶盖采用316L不锈钢。
优选地，探测窗片采用红外窗片，红外窗片的材料为氟化钙、硒化锌、溴化钾、硅或金刚石中的一种；泵浦窗片为抛光石英片，紫外和可见光的透过率大于95％。
优选地，探测窗片与反应池壳体之间、泵浦窗片与壳体分支之间、顶盖与样品口接头之间、卡口接头与堵头之间、抽气口接头与波纹管之间、波纹管和三通之间、三通与真空规探头之间、三通与抽气口球阀之间、抽气口球阀与抽气口球阀接头之间、真空装置球阀与真空装置之间、真空装置球阀与真空装置球阀接头之间、混合池壳体与针阀之间均设置硅橡胶密封圈。
优选地，反应池壳体的内壁喷有黑色漆。
所述的基于泵浦探测的红外原位反应测试装置的使用方法，真空条件下的测试包括步骤如下：
1)制备样片；直接将粉末样品压制成样片，或者将样品溶解后在红外窗片上挥发除去溶剂而制得材料薄膜样片；
2)将样片固定在样品托上，并将顶盖与样品口接头固定连接；
3)连接真空装置，抽真空8～16小时；
4)在真空条件下采集瞬态光谱；
环境气氛下的测试包括步骤如下：
1)～3)步骤同上；
4)关闭真空装置球阀，此时真空规探头显示的是气体缓冲混合池和原位反应池联通的压力，通过针阀接口连接的气体先通入一种气体，压力稳定后通入另一种气体；5)采集含有反应气体时的瞬态光谱。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供的一种基于泵浦探测的红外原位反应测试装置，其包括原位反应池、气体缓冲混合池、底座及样品装置。顶盖与样品口接头连接时，样品托承载的样品处于通过探测窗片的探测光路与通过泵浦窗片的泵浦光路的交汇处；泵浦光线透过泵浦窗片和壳体分支照射在样品上，使得样品发生光响应；探测光线可以穿过探测窗片和反应池壳体，并携带检测信息而被检测装置检测；在需要真空状态时，真空装置通过真空装置球阀接头对原位反应池和气体缓冲混合池抽真空；当需要特定气体状态时，供气装置可以通过针阀向混合池壳体和原位反应池内充入特定的气体，且真空规可以实时检测混合池壳体内的气压并指导实验人员将反应池壳体的气压维持在某一特定的压力下，使得该基于泵浦探测的红外原位反应测试装置可以在真空条件、特定气体条件以及特定气体的特定压力下进行测试。针阀的设置，可以有效地控制进入混合池壳体的气体的流量，便于借助真空规精准地控制气体的压力。底座用于支撑原位反应池，使得整个装置稳定。卡口接头可以用于测试装置的扩展，如接入针阀并接入新的气体装置，或者通过接入三通等并通过三通接入更多装置。
进一步地，探测窗片与反应池壳体之间可拆卸地连接，可以方便地更换适宜的探测窗片。同时，泵浦窗片与壳体分支之间也可拆卸地连接。如此，可以根据实验条件的需要，可以方便地更换适宜的泵浦窗片，扩大了测试装置的应用范围和使用灵活性。
进一步地，反应池壳体为圆筒状壳体，壳体分支为圆筒状壳体，圆筒状壳体便于精准制造且不易形变，有利于测试装置长期而精准地运行。壳体分支的轴线在水平方向，如此，便于与测试装置相配合的泵浦光线发射装置的安装和调试。
进一步地，样品分支设置在反应池壳体的上方。如此，不仅便于气体缓冲混合池与原位反应池的连接，而且也可以使得样品托和样品的承力方向与重力方向一致，避免重力导致的样品位置的偏差。
进一步地，底座包括底板和托架，托架与反应池壳体配合，托架与底板之间通过固定螺丝连接，固定螺丝能调节托架与底板之间的距离。如此，可以调整原位反应池的水平高度，以便使得测试装置与激光器、红外光谱仪等配合。底板上具有定位槽，定位槽用于与布鲁克红外光谱仪适配。如此，便于测试装置与红外光谱仪的位置配合，进行精确安装。托架的形状与反应池壳体的下侧面的形状配合。如此，托架可以有效的固定原位反应池。
进一步地，顶盖上固定设置至少两个螺柱，样品托具有连接板，连接板上具有与螺柱配合的固定通孔，螺柱穿过固定通孔并与螺母配合。如此，可以通过调整螺母，使得螺柱进入连接板的距离改变，进而改变样品托与顶盖之间的距离，实现对样品位置的微调。
进一步地，气体缓冲混合池、原位反应池、底座和顶盖采用316L不锈钢。316L不锈钢可以有效的耐受腐蚀，使得测试装置可以使用多种气体或气化的液体，不仅提高了测试装置的寿命和长期精度，而且扩大了测试装置的应用范围。红外窗片所选用的材料以及石英片，可以有效的耐受腐蚀，使得测试装置可以使用多种气体或气化的液体，不仅提高了测试装置的寿命和长期精度，而且扩大了测试装置的应用范围。
进一步地，硅橡胶密封圈可以有效的耐受腐蚀，使得测试装置可以使用多种气体或气化的液体，不仅提高了测试装置的寿命和长期精度，而且扩大了测试装置的应用范围。
进一步地，反应池壳体的内壁喷有黑色漆。内壁进行了喷黑漆处理，减少光反射和散射对信号的影响。
所述的基于泵浦探测的红外原位反应测试装置的使用方法，该方法简单便捷，很容易借助测试装置在真空、不同的气体环境、不同的压强下进行测试实验。
附图说明
图1-1为本发明提供的原位反应池的正视结构示意图。
图1-2为本发明提供的原位反应池的左视结构示意图。
图1-3为本发明提供的原位反应池的俯视结构示意图。
图2-1为本发明提供的气体缓冲混合池的正视结构示意图。
图2-2为本发明提供的气体缓冲混合池的俯视结构示意图。
图3-1为本发明提供的底座的俯视结构示意图。
图3-2为本发明提供的底座的剖切结构示意图。
图4为本发明提供的样品装置的结构示意图。
图5-1是三维瞬态光谱图，反映真空稳定在27Pa时的ZnO载荷子动力学曲线，时间分辨率是200微秒，总测试时间是100毫秒，能量分辨率是32波数，其中，纵轴Y是吸光度，横轴X波数代表探测光的能量，横轴Z是时间。
图5-2是从图5-1中抽取的横轴波数分别为2897.6和2979.4处的吸光度与时间的衰减曲线图。
图6-1是三维瞬态光谱图，反映通入乙醇蒸汽，并保持压力在200Pa时的ZnO载荷子衰减曲线，时间分辨率是200微秒，总测试时间是100毫秒。能量分辨率是32波数，纵轴Y是吸光度，横轴X波数代表探测光的能量，横轴Z代表时间。
图6-2是从图6-1中抽取的横轴波数分别为2948处的吸光度与时间的衰减曲线图。
在说明书附图中，所用到的符号的含义解释如下：
11为反应池壳体；12为泵浦窗片；121为壳体分支；13为探测窗片；14为样品口接头；141为样品分支；15为抽气口接头；21为混合池壳体；22为卡口接头；23为针阀；24为真空装置球阀接头，25是抽气口球阀接头；31为底板；32为托架；33为固定螺丝；34为定位槽；41为顶盖；411为螺柱；42为样品托；421为连接板；5为样品。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
实施例1
一种基于泵浦探测的红外原位反应测试装置，包括原位反应池、气体缓冲混合池、底座及样品装置，其中，如图1-1、图1-2和图1-3所示，原位反应池包括水平设置的圆筒状的反应池壳体11，反应池壳体11的两端可拆卸地设置探测窗片13；反应池壳体11设置水平设置地圆筒状的壳体分支121，反应池壳体11的轴心与壳体分支121的轴心呈45°夹角。壳体分支121的末端可拆卸地设置泵浦窗片12；反应池壳体11上设置竖直的圆筒状的样品分支141，样品分支141中空且其轴心穿过反应池壳体11的轴心与壳体分支121的轴心的交接处；样品分支141的末端设置样品口接头14，样品分支141的侧面水平地设置中空的圆筒状的抽气口接头15。
如图2-1和图2-2所示，气体缓冲混合池包括中空的混合池壳体21，混合池壳体21上设置卡口接头22、针阀23、真空装置球阀接头24和抽气口球阀接头25；其中，卡口接头22连接堵头，真空装置球阀接头24连接真空装置球阀后与真空装置连接，抽气口球阀接头25连接抽气口球阀后连接三通，三通另外两个接口中的一个接口连接真空规探头，另一个接口通过波纹管与抽气口接头15连接。
如图3-1和图3-2所示，底座包括底板31和托架32，托架32与反应池壳体11配合，托架32与底板31之间通过固定螺丝33连接，固定螺丝33能调节托架32与底板31之间的距离。如图4所示，样品装置包括样品托42和顶盖41；顶盖41上固定设置至少两个螺柱411，样品托42具有连接板421，连接板421上具有与螺柱411配合的固定通孔，螺柱411穿过固定通孔并与螺母配合。
其中，反应池壳体11和壳体分支121采用圆筒状壳体，如此便于精准制造且不易形变，有利于测试装置长期而精准地运行。但是，反应池壳体11和壳体分支121也可以采用非圆形的中空结构，如方形或棱型等，根据本发明的原理可知，反应池壳体11和壳体分支121在提供了密封的空间之外，其需要起到光线通道的作用，非圆形的壳体同样可以达成这些目的并实现本发明的目的。当反应池壳体11和壳体分支121采用非圆形的中空壳体结构时，通过探测窗片13的光路与通过泵浦窗片12的光路的夹角呈45°。反应池壳体11和壳体分支121的轴线均在水平方向，这有助于测试装置与激光器、红外光谱仪、时间同步装置和光学器件进行配合和实现光路上的匹配，但是，显然的，当反应池壳体11和壳体分支121的轴线所在的平面即便与水平面呈现出一定的夹角，测试装置与激光器、红外光谱仪、时间同步装置和光学器件的配合也是可以实现的。同样的，通过探测窗片13的光路与通过泵浦窗片12的光路的夹角也不一定是45°，其在能实现泵浦探测的技术允许范围内均是可以的。为了实现安装或设计的便利，该夹角可以在30～60°范围内。
其中，壳体分支121与反应池壳体11是连接的，这不仅是其外壳上的连接，而且其内部的空腔也应当是连通的。壳体分支121与反应池壳体11既可以是可拆的连接，也可以是通过焊接等方式实现的固定连接，还可以是一体成型的。
其中，探测窗片13与反应池壳体11之间、泵浦窗片12与壳体分支121之间可拆卸地连接，可以根据实验条件的需要，方便地更换适宜的探测窗片13和泵浦窗片12，扩大了测试装置的应用范围和使用灵活性。作为一种可行的实现方案，探测窗片13与反应池壳体11之间、泵浦窗片12与壳体分支121之间设置O型硅橡胶密封圈且通过法兰连接。硅橡胶密封圈不仅可以保证测试装置的密封性，且其具有良好的抗腐蚀效果，扩大了应用于测试装置的气体和易挥发液体的范围。但是，需要知晓的是，探测窗片13与反应池壳体11之间、泵浦窗片12与壳体分支121之间也可以采用其他的可拆卸地连接方式，如卡扣连接等，也可以采用固定连接的方式达成本测试装置的目的。密封圈的选择也是多样的。例如，抽气口接头15就可以采用CF卡口密封方式。
其中，样品分支141和抽气口接头15采用圆筒状的设计，这是常规的，但是显然地，样品分支141和抽气口接头15采用非圆形的空心设计也可以达成本发明的目的。抽气口接头15设置在样品分支141上，这有助于抽气口接头15与气体缓冲混合池的连接，但是显然地，抽气口接头15直接设置在反应池壳体11上也一样可以达成连接的目的。样品分支141垂直设置，可以使得样品托42和样品5的承力方向与重力方向一致，避免重力导致的样品5位置的偏差。
其中，反应池壳体11的内壁喷有黑色漆。内壁进行了喷黑漆处理，减少光反射和散射对信号的影响。
其中，混合池壳体21与球阀、针阀23、堵头、三通等的连接方式为可拆卸地连接，如采用CF卡口来连接。
其中，混合池壳体21可以为中空的圆柱体，其侧面分别相对的设置卡口接头22和两个针阀23，其一个端面上设置真空装置球阀接头24和抽气口球阀接头25。其中，卡口接头22连接堵头备用，真空装置球阀接头2连接真空装置球阀后与真空装置连接，抽气口球阀接头25与抽气口球阀连接后接三通，三通的另外两个出口分别连接真空规探头和通过波纹管与反应池的真空接口15连接，真空装置可以是机械真空泵等。
其中，针阀23可以直接与供气装置连接，如此，通过针阀23可以向气体缓冲混合池内供应供气装置内的气体；混合池壳体21上可以设置多个针阀23，每个针阀23可以分别连接一种气体供应装置，如此，各个供气装置可以依次通过针阀23向气体缓冲混合池内供应气体，使得气体缓冲混合池内具有多种气体；且在真空规的指示下，操作者可以控制气体缓冲混合池内各个气体的分压，进而获得具有特定配比的混合气体。如图2-1、图2-2所示，该实施例中，混合池壳体21上设置了两个针阀23，这样可以在气体缓冲混合池内实现两种气体的混合。
其中，底座包括底板31和托架32，托架32与反应池壳体11配合，托架32与底板31之间通过固定螺丝33连接，固定螺丝33能调节托架32与底板31之间的距离。如此，可以调整原位反应池的水平高度，以便使得测试装置与激光器、红外光谱仪等配合。其中，底板31上具有定位槽34，定位槽34用于与布鲁克红外光谱仪适配。如此，便于测试装置与红外光谱仪的位置配合，进行精确安装。其中，托架32的形状与反应池壳体11的下侧面的形状配合。如此，托架32可以有效的固定原位反应池。原位反应池放置到底座上后，与布鲁克的红外光谱仪Veterx70适配，且底座托举原位反应池的高度可以通过螺母旋转来调节，因此可以在装上样品5但是样品5位置高度不对的情况下，可以进行微调。
样品装置包括样品托42和顶盖41；顶盖41上固定设置至少两个螺柱411，样品托42具有连接板421，连接板421上具有与螺柱411配合的固定通孔，螺柱411穿过固定通孔并与螺母配合。样品托42承载样品5，如此，可以通过调整螺母，使得螺柱411进入连接板421的距离改变，进而改变样品托42与顶盖41之间的距离，实现对样品5位置的微调，使得样品5处于通过探测窗片13的光路与通过泵浦窗片12的光路的交汇处；顶盖41与样品口接头14可拆卸地连接。其中，顶盖41与样品口接头14之间可以通过CF卡箍和密封圈来连接。其中，样品托42与样品5之间螺纹连接。
本发明提供的一种基于泵浦探测的红外原位反应测试装置，其包括原位反应池、气体缓冲混合池、底座及样品装置。顶盖41与样品口接头14连接时，样品托42承载的样品处于通过探测窗片13的光路与通过泵浦窗片12的光路的交汇处；泵浦光线透过泵浦窗片12和壳体分支121照射在样品上，使得样品5发生光响应；探测光线可以穿过探测窗片13和反应池壳体11，并携带检测信息而被检测装置检测；在需要真空状态时，真空装置通过真空装置球阀接头24对原位反应池和气体缓冲混合池抽真空；当需要特定气体状态时，供气装置可以通过针阀23向混合池壳体21和反应池壳体11内充入特定的气体，且真空规可以实时检测混合池壳体21内的气压并指导实验人员将反应池壳体11的气压维持在某一特定的压力下，使得该基于泵浦探测的红外原位反应测试装置可以在真空条件、特定气体条件以及特定气体的特定压力下进行测试。针阀23的设置，可以有效地控制进入混合池壳体21的气体的流量，便于借助真空规精准地控制气体的压力。底座用于支撑原位反应池，使得整个装置稳定。本发明提供的利用泵浦探测技术来进行红外原位检测的反应装置，可与红外光谱仪配套使用，获得不同气氛和压力下的反射、透射、吸收的瞬态光谱，方便研究人员对材料的电子能级结构和浅能级态载荷子动力学特性进行原位研究。
其中，本发明提供的一种基于泵浦探测的红外原位反应测试装置，需要配合激光器、红外光谱仪、时间同步装置和光学器件来使用，以进行泵浦探测实验。
其中，气体缓冲混合池、原位反应池、底座和顶盖41采用316L不锈钢。316L不锈钢可以有效的耐受腐蚀，使得测试装置可以使用多种气体或气化的液体，不仅提高了测试装置的寿命和长期精度，而且扩大了测试装置的应用范围。
其中，探测窗片13采用红外窗片，红外窗片的材料为氟化钙、硒化锌、溴化钾、硅或金刚石中的一种；泵浦窗片12为抛光石英片，紫外和可见光的透过率大于95％。红外窗片所选用的材料以及石英片，可以有效的耐受腐蚀，使得测试装置可以使用多种气体或气化的液体，不仅提高了测试装置的寿命和长期精度，而且扩大了测试装置的应用范围。在本发明的一种具体的实现方式中，探测窗片13采用厚度为5mm的氟化钙红外窗片；泵浦窗片12采用厚度为2mm的抛光石英片。
其中，探测窗片13与反应池壳体11之间、泵浦窗片12与壳体分支121之间、顶盖41与样品口接头14之间、卡口接头22与堵头之间、抽气口接头15与波纹管之间、波纹管和三通之间、三通与真空规探头之间、三通与抽气口球阀之间、抽气口球阀与抽气口球阀接头25之间、真空装置球阀与真空装置之间、真空装置球阀与真空装置球阀接头24之间、混合池壳体21与针阀23之间均设置硅橡胶密封圈。硅橡胶密封圈可以有效的耐受腐蚀，使得测试装置可以使用多种气体或气化的液体，不仅提高了测试装置的寿命和长期精度，而且扩大了测试装置的应用范围。
其中，样品可以是的压片。
采用上述技术方案后，由于测试装置整体使用不锈钢设计，各个连接处均采用法兰或卡口的密封方式，配以机械泵，系统的最佳真空可以到0.2Pa以下，保证了高真空下的探测。同时，配有气体缓冲混合池后，当卡口接头22不连接堵头，而连接针阀时，最多可实现3种气体的混合和监控，可以待混合均匀后再打开球阀释放气体进入原位反应池中。由于卡口或法兰密封的密封圈的存在和球阀的存在，气体缓冲混合池和原位反应池的密封性首先经过单独测试，联通以后再进行真空稳定性测试，漏率在0.2Pa/min以下，基本保证了不同气压下的密封性和稳定性，获得泵浦探测的瞬态光谱的稳定性。而且由于整体系统的材料仅涉及到不锈钢、硅橡胶、耐腐蚀的红外窗片和石英窗片，使得系统具有良好的稳定性和耐腐蚀性能，气体缓冲混合池中可进入的气体或在真空下能够气化的液体种类没有限制，极大的满足了科研工作者们对反应条件多样化的需求。另一方面，红外的样品托42上的样品采用的压片，原位反应池设置的的探测窗片13保证了红外光谱仪中的红外光完全通过；而泵浦窗片的设计也保证了激光能够均匀的照射在样品上。
采用上述技术方案的基于泵浦探测的红外原位反应测试装置，当研究半导体的光激发载荷子动力学时，首先是制样，将粉末样品5压制成的样片，或者先将样品用易于挥发的有机溶剂分散后，滴加在的红外窗片上，待溶剂挥发后即获得材料薄膜的样片；然后将样片固定在样品托42上，根据探测光和泵浦光的光路用螺柱411上的螺纹与螺母来调整样品中心在两束光交点的平面内，旋转样片使得样片平面与泵浦光垂直，固定好顶盖41。之后连接好真空气路，开始抽真空，一般过夜抽以保证样片表面物理吸附的气体分子能够脱附。采集瞬态光谱时，一般先在真空的条件下采集。使用气体混合缓冲池时，如果是单一气体，则根据真空规的读数即可表示气压；如果是混合气体，需先保证一种气体的压力稳定后，再释放下一种气体。采集有反应气体时的瞬态光谱时，要保证气压稳定后再关闭反应池的阀门进行测试。
上述技术方案实现的基于泵浦探测的红外原位反应测试装置，最大的优点是采集的瞬态光谱是透射模式，透射模式恰恰是红外光谱众多分析法中的灵敏度最高的方法，配以液氮MCT检测器，获得的载荷子动力学特性曲线吸光度的灵敏度可达到10-4，而且信噪比高，数据稳定性和可靠度高，是研究不同条件下处于浅能级电子迁移特性及载荷子动力学的有效手段，在光催化、光化学转化的机理研究方面是一种必不可少的工具。
实施例2
以研究ZnO半导体的载荷子动力学特性为例。将ZnO粉体在乙醇中分散后，滴加在Φ13mm厚1mm的氟化钙晶体上，放在红外灯下干燥后，固定在样品托42内，调整样品托42的螺母保证样片的高度正高在探测光和泵浦光的交点平面，同时旋转顶盖41角度，使得样片表面与泵浦光垂直。连接各CF卡口或法兰等连接部件，接通机械泵和真空规的电源，抽真空过夜去除样片表面的物理吸附成分。通入氮气后再抽成真空，泵浦光采用半导体激光器(基频是1064nm)的三倍频光(355nm)来激发样片，探测波长为2000-4000cm-1，模式选择是步进扫描方式，图5-1和图5-2是在真空稳定在27Pa时的ZnO载荷子动力学曲线，分辨率是200微秒，总测试时间是100毫秒，图5-1和图5-2显示，真空条件下，ZnO载荷子的寿命超过了50ms。图6-1和图6-2是在乙醇蒸汽压力是200Pa时，100ms内看到载荷子的动力学曲线没有衰减的趋势，这说明载荷子属于电子，由于乙醇对空穴具有清除功能，因此增加了电子的寿命，同时我们可以看到吸光度值增加到原来的30倍，也说明了由于空穴被清除，大量的电子由于能量无法被耗散而聚集在ZnO的表面，使得吸光度大大增强。
Claims (9)
1.一种基于泵浦探测的红外原位反应测试装置，其特征在于，包括原位反应池、气体缓冲混合池、底座及样品装置，底座用于支撑原位反应池；其中，
原位反应池包括反应池壳体(11)，反应池壳体(11)的两端设置探测窗片(13)；反应池壳体(11)侧面设置壳体分支(121)，壳体分支(121)的末端设置泵浦窗片(12)；反应池壳体(11)上还设置样品口接头(14)和抽气口接头(15)；反应池壳体(11)上设置中空的样品分支(141)，样品口接头(14)设置在该样品分支(141)末端；抽气口接头(15)设置在该样品分支(141)的侧面；
气体缓冲混合池包括混合池壳体(21)，混合池壳体(21)上设置卡口接头(22)、两个针阀(23)、真空装置球阀接头(24)和抽气口球阀接头(25)；其中，卡口接头(22)接堵头备用，真空装置球阀接头(24)连接真空装置球阀后与真空装置连接，抽气口球阀接头(25)连接抽气口球阀后连接三通，三通另外两个接口中的一个接口连接真空规探头，另一个接口通过波纹管与抽气口接头(15)连接；
样品装置包括样品托(42)及与样品托(42)相连的顶盖(41)，顶盖(41)与样品口接头(14)可拆卸地连接，样品托(42)用于承载样品(5)，能够使样品(5)处于通过探测窗片(13)的光路与通过泵浦窗片(12)的光路的交汇处。
2.如权利要求1所述的基于泵浦探测的红外原位反应测试装置，其特征在于，反应池壳体(11)为圆筒状壳体，壳体分支(121)为圆筒状壳体，反应池壳体(11)的轴心与壳体分支(121)的轴心相交。
3.如权利要求1所述的基于泵浦探测的红外原位反应测试装置，其特征在于，底座包括底板(31)和托架(32)，托架(32)与底板(31)之间通过固定螺丝(33)连接，固定螺丝(33)能调节托架(32)与底板(31)之间的距离；托架(32)能够支撑反应池壳体(11)。
4.如权利要求1所述的基于泵浦探测的红外原位反应测试装置，其特征在于，顶盖(41)上固定设置至少两个螺柱(411)，样品托(42)具有连接板(421)，连接板(421)上具有与螺柱(411)配合的固定通孔，螺柱(411)穿过固定通孔并与螺母配合。
5.如权利要求1所述的基于泵浦探测的红外原位反应测试装置，其特征在于，气体缓冲混合池、原位反应池、底座和顶盖(41)采用316L不锈钢。
6.如权利要求1所述的基于泵浦探测的红外原位反应测试装置，其特征在于，探测窗片(13)采用红外窗片，红外窗片的材料为氟化钙、硒化锌、溴化钾、硅或金刚石中的一种；泵浦窗片(12)为抛光石英片，紫外和可见光的透过率大于95％。
7.如权利要求1所述的基于泵浦探测的红外原位反应测试装置，其特征在于，探测窗片(13)与反应池壳体(11)之间、泵浦窗片(12)与壳体分支(121)之间、顶盖(41)与样品口接头(14)之间、卡口接头(22)与堵头之间、抽气口接头(15)与波纹管之间、波纹管和三通之间、三通与真空规探头之间、三通与抽气口球阀之间、抽气口球阀与抽气口球阀接头(25)之间、真空装置球阀与真空装置之间、真空装置球阀与真空装置球阀接头(24)之间、混合池壳体(21)与针阀(23)之间均设置硅橡胶密封圈。
8.如权利要求1所述的基于泵浦探测的红外原位反应测试装置，其特征在于，反应池壳体(11)的内壁喷有黑色漆。
9.权利要求1～8任一项所述的基于泵浦探测的红外原位反应测试装置的使用方法，其特征在于，包括步骤：
1)制备样片；直接将粉末样品压制成样片，或者将样品溶解后在红外窗片上挥发除去溶剂而制得材料薄膜样片；
2)将样片固定在样品托(42)上，并将顶盖(41)与样品口接头(14)固定连接；
3)连接真空装置，抽真空8～16小时；
4)在真空条件下采集瞬态光谱；
5)向反应池中充入气体，采集有反应气体时的瞬态光谱。
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