电子自旋共振谱仪 Electron spin resonance (ESR) 原理简介

电子自旋共振（electron spin resonance，ESR），又称电子顺磁共振（electron paramagnetic resonance，EPR）。 分子中的电子大多都是成对的，根据包立不兼容原理(Pauli exclusion principle) ，每个电子对中的电子必为一个自旋向上，一个自旋向下，所以磁性互相抵消。 因此粒子有不成对电子时能表现磁共振的现象。

电子自旋共振的原理跟核磁共振的类似。 但相反的，样品是控制在固定频率的微波中，然后改变外加磁场让电子能阶差值与微波能量相同，而未成对电子可以在两个能阶间移动。 实验时是量测微波的净吸收能量再将其转换得到ESR光谱。

电子自旋共振（ESR or EPR）是一种强大的分析方法，大多用于检测与分析物质中不成对电子的特性。 而物质中的电子状态对其特性和功能有很大的影响，因此ESR的评估变得越来越重要。 无论样品是固体，液体还是气体，都可以研究许多类型的物质，从电子材料到催化剂，生物样品。
 

ESR分析应用领域

ESR特点

ESR在碳材料上的应用 (ESR Application of Material－Carbon)
石墨是六角晶体形状的碳。 而石墨烯平面结构是龟壳状的，其中碳与碳之间键结是共价键。 相反的这些碳平面层之间的连接是较弱的凡德瓦力(如图1)。 在平面内具有类似金属一般的导电性，但在平面之间又可以观察到类似半导体的特性。 所以石墨用于许多产品的原料，包括电子设备、汽车、电池、涂料等等。 另外，在石墨烯之间加入掺杂剂，可以改善材料的导电性或甚至发展其超导性质。

石墨和碳纤维显示出ESR线状Dysonian的吸收，这是导电材料才会有的特性。 (图2)显示铅笔芯的ESR光谱。 观察到垂直不对称讯号是因为受到微波影响而产生相位的变化。 从A与B的比例（图2），可以获得传导电子通过平面所需的时间(4)。 基于g值和线宽（ΔH）可以对石墨的电子结构进行分析。

之后将铅笔芯（4B）置于试管中并测量其ESR光谱，同时将实验的温度从-100度升高至200度（使用ES-DVT4）。 石墨随着温度的变化，在ESR光谱上的线宽也发生变化(图3)。 在低温下石墨的特征让讯号位置显示g值的偏移和线宽的加大，同时也显示了费米电位附近能带的结构。

結論
ESR是評估材料（如石墨）固態性質的重要方法，其提供了有關電子結構訊息。於1985年證實Fullerenes C60的存在(6)而其是反磁性的，但因為它易於氧化或還原形成自由基所以產生不成對的電子。已經研究了endohedral Fullerenes的電子結構和固態特性(7,8,9)。碳纖維和多層碳納米管的ESR類似於多晶石墨的ESR，並且由於傳導電子和其缺陷而被觀察到重疊且不同g值的訊號(10)。

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结论 ESR是评估材料（如石墨）固态性质的重要方法，其提供了有关电子结构讯息。 于1985年证实Fullerenes C60的存在(6)而其是反磁性的，但因为它易于氧化或还原形成自由基所以产生不成对的电子。 已经研究了endohedral Fullerenes的电子结构和固态特性(7,8,9)。 碳纤维和多层碳纳米管的ESR类似于多晶石墨的ESR，并且由于传导电子和其缺陷而被观察到重迭且不同g值的讯号(10)。

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