独特的三维量热仪-光谱联用方案对相转变材料的研究

独特的三维量热仪-光谱联用方案对相转变材料的研究

相转变材料（PCM）近来一直是节能减排、信息存储等领域的热门研究对象，对于相转变材料而言，材料发生相变的温度及相变热是评价材料的重要参数指标。DSC作为一种通用型仪器，是研究材料相变温度及相变热的有效工具。但一般而言，热分析反映的是样品的宏观性质变化，给出的信息有限，DSC的吸放热峰通常只能反映出在某个温度样品有无变化，无法得到变化前后材料的具体物相信息。如要得到样品相变前后具体的微观结构信息，则要借助其他分析手段，如X射线衍射及X射线光谱、电子显微镜技术等。如果独立进行两组实验-DSC及结构分析-则可能因为条件控制、样品均一性等因素，造成两组测试结果无法匹配，难以得到全面、准确的样品相变信息。

针对这一课题，塞塔拉姆仪器以其独有的三维卡尔维式微量热仪，凭借开放的样品空间及不受测试条件影响的高超灵敏度及准确性，可以提供微量热仪/DSC与X射线光谱的原位同步联用解决方案，在得到样品相变的宏观热量变化的同时，得到其微观结构变化的信息，对材料的相变行为进行准确透彻的解读。

本方案介绍的是将Setaram仪器独有的三维卡尔维式量热仪Sensys Evo与EXAFS光谱联用，同步得到样品相变的热流曲线及EXAFS吸收谱。联用装置硬件示意图如下：Sensys Evo以水平模式工作，传感器使用离站式配置，置于EXAFS光路中，使得X射线穿过样品通道，具体配置方式如下图所示。此方案更多详情可以参考文献：J. Synchrotron Rad. (2012). 19, 806-813

样品：光存储PCM - Ge₁₅Sb₈₅

样品由磁控溅射制得，与氮化硼混合压片并置于Senys Evo传感器区域

保护气体： He

升温速录：5K/min

打开X射线光束打开与关闭两种情况下Sn熔融的标定实验，结果说明X射线的存在对标准样品的相变过程影响可以忽略。

下图（左）为样品的DSC曲线，可见在510K及610K处出现两个放热峰，应该对应于某些组分的结晶，但仅凭此无法确认其微观结构变化；下图（右）为EXAFS图谱， 上部为Ge吸收边图谱，下部为Sb吸收边图谱。

下图为经上图（右）图转换得到的配位数与键长参数与热流曲线的叠加，经对照分析，可以确定 510K处的DSC放热峰对应富Sb相的结晶，同时 伴随无定型Ge的偏析 ；610K处的放热峰对应富Ge相的结晶 。

Sensys Evo参数：

温度范围：-120--830℃

程控升降温速率：0.01~30K/min                            

样品池/坩埚最 高承受压力：500bar，600℃

样品池/坩埚最 高可监控压力：400bar，600℃

气路：3路载气，1路反应/辅助气, 可实现两路气体的混合

气氛：氧化，还原（H₂,CO)，腐蚀（H₂S,NH₃)，水蒸气