§6.5拉曼光譜講授人：XXX《材料表征基礎(chǔ)》戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域“十四五”高等教育系列教材內(nèi)容提要01020304拉曼散射與拉曼光譜拉曼散射的理論解釋拉曼頻移與強度拉曼光譜的實驗基礎(chǔ)05拉曼光譜的應(yīng)用實例1.

拉曼散射當光入射到介質(zhì)上時，除了被介質(zhì)吸收、反射和透射外，還有一部分光被散射。彈性散射（瑞利散射）方向改變能量不變非彈性散射（拉曼散射）方向改變發(fā)生能量交換按波數(shù)變化分類瑞利散射布里淵散射拉曼散射1.

拉曼光譜拉曼光譜分析中，通常測定斯托克斯散射光線，它與激發(fā)光頻率之差稱為拉曼頻移或拉曼位移。分子吸收頻率為ν0的光子，發(fā)射ν0–ν的光子（即吸收的能量大于釋放的能量），同時分子從低能態(tài)躍遷到高能態(tài)（斯托克斯線）分子吸收頻率為ν0的光子，發(fā)射ν0+ν的光子（即釋放的能量大于吸收的能量），同時分子從高能態(tài)躍遷到低能態(tài)（反斯托克斯線）2.拉曼散射的理論解釋

2.拉曼散射的理論解釋

2.拉曼散射的理論解釋

3.拉曼頻移和強度與物質(zhì)結(jié)構(gòu)、分子振動的關(guān)系拉曼頻移是指散射光與入射光之間的頻率差異。拉曼頻移和強度的變化與物質(zhì)結(jié)構(gòu)、化學鍵和分子振動密切相關(guān)。頻移的大小和方向取決于物質(zhì)的振動模式以及光子和分子之間的相互作用，不同類型的振動模式（如拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)等）對應(yīng)于不同的頻移。

其中，Δν?是以波數(shù)表示的拉曼頻移，λ0是激發(fā)波長，λ1是拉曼光譜波長。拉曼強度是指在拉曼散射中探測到的散射光的強度，它與分子振動的性質(zhì)以及分子的濃度有關(guān)：振動模式的極化率變化：拉曼散射的強度與分子在振動時極化率的變化程度有關(guān)。極化率變化越大，拉曼強度通常越強。這意味著一些振動模式比其他模式更容易被探測到。分子的濃度：在一定的激發(fā)光條件下，分子的濃度越高，所產(chǎn)生的拉曼散射信號就越強。因此，拉曼強度也與樣品中分子的數(shù)量密切相關(guān)。4.拉曼光譜技術(shù)的實驗基礎(chǔ)拉曼光譜儀的工作原理：通常采用單色激光作為光源。激光通過透鏡聚焦到樣品上，并與樣品中的分子發(fā)生作用，然后在垂直入射的方向收集散射光，散射光包含原始激發(fā)光和拉曼散射光。通過濾光裝置后，原始激發(fā)光被濾掉，然后經(jīng)光柵分解成不同波長的光進入探測器。探測器將這些光信號轉(zhuǎn)換為電信號輸入計算機，形成拉曼光譜。拉曼光譜技術(shù)的優(yōu)點1.非破壞性2.無需復雜的樣品準備3.高靈敏度4.快速分析5.化學選擇性6.便于表征拉曼光譜儀的構(gòu)成1.激光光源2.樣品艙3.光學系統(tǒng)4.光譜儀5.探測器工作原理示意圖5.拉曼光譜的應(yīng)用實例石墨烯的拉曼光譜顯示出兩個主要的拉曼振動峰，分別位于~1590cm?1和~2700cm?1處。前者是G峰，來源于石墨烯中sp2雜化碳原子的面內(nèi)振動E2g模式；后者是2D峰，來源于D模（1350cm–1附近）的雙聲子共振拉曼峰。D模是布里淵區(qū)界面聲子，它在無缺陷石墨的拉曼譜中不會出現(xiàn)。同素異形體的結(jié)構(gòu)鑒別碳的同素異形體拉曼光譜和晶體結(jié)構(gòu)示意圖5.拉曼光譜的應(yīng)用實例單層石墨烯的2D峰可以用單個洛倫茲峰擬合，而雙層石墨烯中出現(xiàn)了4個擬合峰，分別代表四個可能的雙共振過程。隨著層數(shù)的增加，G峰位置向低波數(shù)方向移動。G峰和2D峰的強度比可以用來辨別石墨烯層數(shù)。二維材料層數(shù)的快速識別532nm激光激發(fā)下1~4層石墨烯的拉曼光譜2D峰隨石墨烯層數(shù)變化的拉曼譜圖5.拉曼光譜的應(yīng)用實例在辨別二維材料層數(shù)的應(yīng)用上，大多利用的是高頻區(qū)的拉曼模式，它反映了層內(nèi)原子間的相對振動。而低頻區(qū)的剪切模式和呼吸模式反映的是單層作為一個整體，層與層之間的相對振動。這些低頻模式多由層間的范德瓦爾斯作用來決定，因此，可以用來確定二維材料的層數(shù)和堆垛方式等。帶有缺陷的石墨烯在波數(shù)1350cm–1附近會出現(xiàn)拉曼振動D峰。碳納米管中的碳原子以sp2雜化構(gòu)成共價鍵，其拉曼光譜如果在1350cm–1附近出現(xiàn)D峰，說明了sp3雜化碳原子的出現(xiàn)，或者sp2雜化網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的缺陷，D峰強度反映了碳納米管中缺陷的相對數(shù)量；