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In the present talk the basics of the Raman spectroscopy and particularly of Raman microscopy are explained. Advantages and disadvantages of the method are highlighted through selected case studies. In the second part of the lecture examples of correlative imaging with electron, X-ray, ion and optical microscopies from micro- to the nanoscale are highlighted.
Naturwissenschaftliche Belege für die Verwendung von Ägyptisch Blau, dem klassischen Blaupigment der römischen Antike, an frühmittelalterlichen Wandmalereien in Mittel- und Südeuropa sind bisher nur vereinzelt greifbar. Das hier diskutierte monochrom blaue Fragment einer Freskomalerei auf Tünche gehört zum zweiten Kirchenbau von St. Peter ob Gratsch (Südtirol, Norditalien); zumindest der Putzmörtel ist gemäß Radiocarbondatierung im 5. oder 6. Jahrhundert n. Chr. zu verorten. Das flächendeckende Abrastern der Probenoberfläche mittels Ramanmikrospektroskopie vermochte neben dem farbgebenden Cuprorivait (und Pflanzenschwarz aus der Untermalung) 26 begleitende Mineralien bis in den Spurenbereich nachzuweisen. Diese erstaunliche Vielfalt ist nur durch mikrospektroskopische Bildgebung in hoher Ortsauflösung zugänglich, ein solch vertiefter Einblick in die Mineralogie der zugrundeliegenden Rohstoffe als auch Umwandlungsreaktionen während Herstellung, Applikation und Alterung des künstlichen Blaupigmentes also an die Weiterentwicklung der analytischen Verfahren gebunden. Insbesondere die natürlichen Verunreinigungen des Quarzsandes liefern Indizien auf die Produktionsstätte: die beiden Klinopyroxene Augit und Aegirin deuten beispielsweise auf magmatischen Aktivitäten ausgesetzte Ablagerungen (oder auf vulkanische Aktivität bereits im Liefergebiet). Zusammen mit Diopsid und Feldspaten, einschließlich des seltenen Celsian, sind sie der Literatur zufolge charakteristischer Bestandteil von vom Fluss Volturno in den Golf von Gaeta transportierten carbonathaltigen Sedimenten. Im Verein mit der archäologischen Evidenz für die Erzeugung von Ägyptisch Blau in Cumae und Liternum und den übereinstimmenden Ausführungen der beiden römischen Fachschriftsteller Vitruv und Plinius der Ältere spricht dies für ein Fabrikat aus dem Golf von Pozzuoli. Als Kupferquelle wurde angesichts des Nachweises von Chalkosin (und Chalkopyrit) vermutlich ein sulfidisches Kupfererz nach Rosten zu Kupferoxid eingesetzt, als schmelzpunktsenkendes Flussmittel wohl ein gemischt-alkalisches, das heißt eine Mischung von Natrium- und Kaliumsalzen in Form von Pflanzenasche. Zum Teil mit Cuprorivait verwachsene, nicht gänzlich umgesetzte Quarzkristalle bei nur geringsten Spuren von Silikatglas lassen auf eine überwiegende Festkörperreaktion (Festphasensintern) schließen; das Aufschmelzen der Rohstoffe zu Glas dürfte bei der Pigmentsynthese eher eine untergeordnete Rolle gespielt haben.
Raman microspectroscopy enables imaging of the distributions of mineral phases as well as physical properties of materials, such as crystal orientations and crystallinities, with down to sub-micrometre resolution. In a combination with other spectroscopic and microscopic techniques, this approach was applied to the analysis and elucidation of ancient production technologies of stucco fragments made of high-fired gypsum mortar and Egyptian blue pigment discovered on a monochrome wall painting fragment originating from the Early Medieval (5th/6th century AD) construction phase of the church St. Peter above Gratsch in South Tyrol (Northern Italy).
This overview article provides insight into how to apply Raman spectroscopy in combination with a confocal, optical microscope setup on polycrystalline material systems, in order to obtain quantitative information on phase distribution, grain sizes, crystal orientations and microstrain. Although the present work uses Cu(In,Ga)(S,Se)₂ absorber layers in corresponding thin-film solar cells as a model system to demonstrate the capabilities of Raman microspectroscopy, the approaches discussed may be applied to any organic or inorganic, polycrystalline materials system.
Characterization of Cu (In x, Ga y) (S m, Se n) 2 thin-film solar cell materials by Raman microscopy
(2014)
Per Online-RFA und -LIBS Elementgehalte in Böden bestimmen.
Die ortsspezifische Steuerung der Bodenfruchtbarkeit durch angepasste Düngung und andere Maßnahmen hilft die Bodenfunktionen zu verbessern und Umweltbelastungen zu vermindern. Dabei zeigt das Beispiel die hohe Relevanz schneller, robuster Vor-Ort-Analysen für viele umweltrelevante Fragestellungen.
Als schweizweit einziger Hersteller produzierte die Gesellschaft der Ludwig von Roll'schen Eisenwerke seit den 1870er Jahren granulierte Hochofenschlacke. Im Blashochofen von Choindez im Schweizer Jura wird bis Mitte der 1920er Jahre Bohnerz aus dem Delsberger Becken, das kontemporär publizierten Analysen zufolge als Spuren- bzw. Schwermetalle Titan, Chrom, Blei und Vanadium enthält, zu grauem Roheisen verhüttet. In zementgebundenen Mörtelmischungen des 19. und frühen 20. Jahrhunderts aus verschiedenen Regionen der Schweiz finden sich neben reliktischen Hüttensandsplittern vereinzelt bis zu fünfhundert Mikrometer große scharze Kugeln mit grünlichem Schimmer, wohl nicht gemahlener Schlackensand. Deren mittels Ramanmikroskopie (Phasenbestand) und energiedispersiver Röntgenspektroskopie am Rasterelektronenmikroskop (Elementanalytik) ermittelte Mineralogie ergibt in Form von Plattnerit PbO2, Rutil TiO2 und vermitlich Chromit Fe(II)Cr2O4 bzw. Nichromit (Ni,Co,Fe(II))(Cr,Fe(III),Al)2)4 Übereinstimmungen mit den nur die Elementzusammensetzung berücksichtigenden historischen Resultaten. Ebenfalls im Zusammenhang mit dem das Bohnerz begleitenden Boluston samt Huppererde zu sehen sind die Minerale Coelestin SrSO4 und Zirkon ZrSiO4, des Weiteren der Siliciumcarbidpolymorph Moissanit SiC als Reaktionsprodukt von Quarzsand und Brennstoff. Die Kohärenz zwischen um die Jahrhundertwende durchgeführten Analysen von Rohmaterial als auch Ofenbruch aus dem in Choindez betriebenen Hochofen und den in diesem Beitrag diskutierten Resultaten moderner analytischer Methoden spricht für den Gebrauch von granulierter Schlacke aus dem Hause Ludwig von Roll als Mörtelzuschlag. Die Hüttensandkörner, eigentlich latent hydraulisch, sind aufgrund der fehlenden Aufbereitung zu grob für eine effektive Hydratation und deshalb trotz reaktiver Glasphase und Klinkermineralien (Belit Ca2SiO4 und Monocalciumaluminat CaAl2O4) intakt in der Bindemittelmatrix erhalten.
In the present chapter, the capabilities of Raman spectroscopy for the advanced characterisation of thin films for solar cells are reviewed. Raman spectroscopy is an optical, nondestructive technique based on the inelastic scattering of photons with elemental vibrational excitations in the material. The line shape and position of the Raman bands are determined by the crystalline structure and chemical composition of the measured samples, being sensitive to the presence of crystalline defects, impurities and strain. Presence of peaks characteristic of different phases also allows for the identification of secondary phases that are strongly related to the growth and process conditions of the films. All these aspects account for a strong interest in the analysis of the Raman spectra, providing a powerful nondestructive analytical tool for the structural and chemical assessment of the films. In addition, the combination of a Raman spectrometer with an optical microscope also allows for achieving a high spatial resolutions (of below 1 µm) when mapping surfaces and analyzing depth-resolved phase distributions in thin films.
The present chapter is divided into four main sections: The two first ones are devoted to a revision of the Fundamentals of Raman spectroscopy (Section 17.2) and Vibrational modes in crystalline materials (Section 17.3). Section 17.4 deals with the main experimental considerations involved in the design and implementation of a Raman scattering setup. This is followed by a detailed description of the application of Raman scattering for the structural and chemico-physical analysis of thin film photovoltaic materials (Section 17.5), with the identification of crystalline structure and secondary phases, evaluation of film crystallinity, analysis of chemical composition of semiconductor alloys, characterisation of nanocrystalline and amorphous layers, stress effects and crystal orientations. This includes the description of corresponding state of the art and recent case examples that illustrate the capabilities of the Raman technique for the advanced characterisation of layers and process monitoring in thin-film photovoltaic technologies.