Ramanspectroscopy

1、 当光（电磁波）入射到物质上时，组成物质的分子或原子将形成电偶当光（电磁波）入射到物质上时，组成物质的分子或原子将形成电偶极矩，并使其按周期规律变化，即向外辐射（散射）电磁波。而分子中极矩，并使其按周期规律变化，即向外辐射（散射）电磁波。而分子中原子的振动对电子极化率的调制作用，产生了原子的振动对电子极化率的调制作用，产生了Raman效应。效应。 拉曼（拉曼（Raman），印度物理学家。），印度物理学家。 1928年发现了光散射的拉曼效应。年发现了光散射的拉曼效应。 1930年获得了年获得了诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖。 拉曼和汤川秀树（日）是仅有的两位没拉曼和汤川秀树（日）是仅有的两位没有受

2、过西方教育的诺贝尔物理学奖得主。有受过西方教育的诺贝尔物理学奖得主。印度政府将印度政府将2月月28日定为日定为“拉曼节拉曼节”。 是分子的极化率，数量单位在是分子的极化率，数量单位在10-40cv-1m2，是二阶张量，是二阶张量拉曼散射的经典理论拉曼散射的经典理论依据：以物质分子（散射体）当作为电介质，光波当作电磁场，当物依据：以物质分子（散射体）当作为电介质，光波当作电磁场，当物 质分子受电场强度为质分子受电场强度为E的电磁场作用时，会产生感应电偶极矩的电磁场作用时，会产生感应电偶极矩P假设入射光为频率假设入射光为频率0的单色光的单色光 如果将产生感应电偶极矩的分子视为各向同性，即如果将产生

3、感应电偶极矩的分子视为各向同性，即作为常数，感应作为常数，感应电偶极矩将发射频率为电偶极矩将发射频率为0的电磁辐射，它的频率和入射频率相同，这就的电磁辐射，它的频率和入射频率相同，这就是瑞利光散射。是瑞利光散射。0002costEE P=E0002costEpa a PX=XXEX+XYEY+XZEZPY=YXEX+YYEY+YZEZPZ=ZXEX+ZYEY+ZZEZ XX等九个系数称为极化率张量分量，等九个系数称为极化率张量分量，XY的意义是沿的意义是沿Y轴方向的单位电场强度轴方向的单位电场强度EY在在X轴方向所产生的极化率张量，轴方向所产生的极化率张量，其他八个依此类推。其他八个依此类推。

4、 但实际上分子是非各向同性的，极化率但实际上分子是非各向同性的，极化率是一个张量，那么所加电场是一个张量，那么所加电场在在X、Y、Z轴方向上产生的感应电偶极矩表示为：轴方向上产生的感应电偶极矩表示为：如考虑实对称的极化率张量分量，则如考虑实对称的极化率张量分量，则 ：XY=YX， XZ = ZX，YZ=ZY 这六个极化率张量分量与坐标这六个极化率张量分量与坐标X、Y、Z可以组成一个椭可以组成一个椭球方程：球方程：XXX2+YYY2+ZZZ2+2XYXY+2XZXZ+2YZYZ=1 极化率椭球的尺度决定于上述极化率张量分量的值，如果极化率椭球的尺度决定于上述极化率张量分量的值，如果分子在振动或转

5、动时，六个极化率张量分量的任何一个发生分子在振动或转动时，六个极化率张量分量的任何一个发生变化，那么产生拉曼光谱的条件就可以满足。变化，那么产生拉曼光谱的条件就可以满足。 组成分子的所有原子都近似的看作在平衡位置附近作同频率、同位组成分子的所有原子都近似的看作在平衡位置附近作同频率、同位相的谐振动，分子中任何一个复杂振动都可以看作是这些简正振动的叠相的谐振动，分子中任何一个复杂振动都可以看作是这些简正振动的叠加。加。 只考虑一个简正振动，只考虑一个简正振动，Q.)(21)(,0 lllQQQQQQ a aa aa aa a a aa aa aQQ00)( 简正振动：简正振动：脚注脚注“0” 导

6、数在平衡位置时的取值导数在平衡位置时的取值、 .振动频率为振动频率为 、 . 的振动的简正坐标的振动的简正坐标 QlQl0a a极化率在平衡位置时的值极化率在平衡位置时的值简正振动频率与简正坐标的相互关系为：简正振动频率与简正坐标的相互关系为： )2cos(0tQQ 0Q为初始位置的简正坐标为初始位置的简正坐标00000000002cos2cos2costtQEQtEPX a a a a 0002costEpa a a aa aa aQQ00)( )(2cos)(2cos22cos0000000000ttEQQtEP a aa a 这个方程式右边的第一项包含入射光频率，它对应于这个方程式右边的

7、第一项包含入射光频率，它对应于瑞利散射瑞利散射，并确定了瑞利散射的性质。这个方程式右边的第二项除了包含入射光并确定了瑞利散射的性质。这个方程式右边的第二项除了包含入射光频率频率 以外，还包含有以外，还包含有 和和 的光频率，它们对于于振的光频率，它们对于于振动拉曼频率，分别代表动拉曼频率，分别代表斯托克斯线斯托克斯线和和反斯托克斯线反斯托克斯线，这一项实际上确，这一项实际上确定了拉曼散射的性质是一种非弹性散射。定了拉曼散射的性质是一种非弹性散射。000利用三角公式化简可得：利用三角公式化简可得：瑞利散射瑞利散射斯托克斯线斯托克斯线反斯托克斯线反斯托克斯线O=C=O对称伸缩O=C=O反对称伸缩偶

8、极距不变无红外活性极化率变有拉曼活性极化率不变无拉曼活性偶极距变有红外活性 Raman散射分为斯托克斯散射（散射分为斯托克斯散射（h（0 - s）和反斯托）和反斯托克斯散射（克斯散射（h（0 +s） 。 斯托克斯散射的强度通常要比反斯托克斯散射强度强得斯托克斯散射的强度通常要比反斯托克斯散射强度强得多，在拉曼光谱分析中，通常测定斯托克斯散射光线。多，在拉曼光谱分析中，通常测定斯托克斯散射光线。LabRAM ARAMIS UV-VIS-NIR LabRAM HR LabRAM IR2 RSL-PLUS (OEM Raman System)R-3000 (OEM Raman System )临床诊

9、断应用临床诊断应用宝石学宝石学艺术艺术半导体半导体药学药学生物学与化学生物学与化学激光器激光器样品台样品台光谱仪主体光谱仪主体探测器探测器光路光路电脑电脑控制测试控制测试参数参数Raman信号信号YAGYAG（钇铝石榴石）（钇铝石榴石） LaserLaser（532nm532nm）He-Cd Laser（325nm）高分辨压电镜台高分辨压电镜台移动精度移动精度 ：0.1 m VO(acac)2-1-5s0100200300400500Length X (m)m 选择扫描的区域选择扫描的区域 同时保存同时保存Raman成像和光谱成像和光谱 可以选择不同的光谱范围作为成像参考标准可以选择不同的光谱

10、范围作为成像参考标准(强度或波数强度或波数 )激发光的偏振方向对某些物质的激发光的偏振方向对某些物质的Raman光谱有很大的影响。光谱有很大的影响。研究物质的晶向研究物质的晶向。 初级真空初级真空 液氦制冷液氦制冷 温度范围：室温温度范围：室温10K 低温下研究物质的相变低温下研究物质的相变 组成分析组成分析 结构研究结构研究 应力研究应力研究 相变研究相变研究 晶向研究晶向研究 掺杂研究掺杂研究 Raman 特征峰特征峰 特征峰的位移特征峰的位移 特征峰的半高宽特征峰的半高宽 特征峰的相对强度特征峰的相对强度 Raman偏振峰偏振峰 最上层的最上层的Si由于受到应力的由于受到应力的影响，峰位

11、偏移到影响，峰位偏移到514cm-1。 GaN纳米线的晶向研究。纳米线的晶向研究。 J.Y.HR800 （514.5nm）5m 只有当入射光偏振方向为只有当入射光偏振方向为Z平行于平行于001（C轴）时才会出现轴）时才会出现530和和558cm-1 偏振峰；只有偏振峰；只有当入射光偏振方向为当入射光偏振方向为Z垂直于垂直于001，才会出，才会出现现568cm-1 。而此时出现了。而此时出现了558和和568cm-1两个偏两个偏振峰，说明振峰，说明C轴与轴与Y方向有夹角（可能是方向有夹角（可能是45 ）。）。 用用 PLD 方法，在方法，在MgO 上生长上生长Fe3O4 薄膜。薄膜。 J.Y.H

12、R800 （632.8nm） 温度为温度为121K（Tv）时，）时，Fe3O4 发生发生 werwey 相变。相变。温度小于温度小于Tv（121K）时，）时，Fe3O4 的的A1g、T2g和振动模和振动模所对应所对应Raman特征峰的半特征峰的半高宽与峰位均发生了明显高宽与峰位均发生了明显的变化。的变化。 T3g特征峰的变化，可能源特征峰的变化，可能源 于它包含有其他的特征峰，于它包含有其他的特征峰，并且峰位难以确定。并且峰位难以确定。Graphene即单层石墨，是一层密集的、包裹在蜂巢晶体点阵上即单层石墨，是一层密集的、包裹在蜂巢晶体点阵上的碳原子，其厚度仅有的碳原子，其厚度仅有0.335 nm 。10层以下的少层石墨具有二层以下的少层石墨具有二维特性，都可称为石墨烯。维特性，都可称为石墨烯。 组成成分组成成分 尺寸结构（薄尺寸结构（薄膜厚度）膜厚度） 热稳定性热稳定性 荧光荧光 激光波长激光波长 镜头型号镜头型号 激光强度激光强度 光栅光栅 扫描时间扫描时间 共焦孔共焦孔 激光强度与样品热稳定激光强度与样品热稳定激光强度激光强度