金刚石压砧实验技术及其在激光Raman光谱中的应用

1、金刚石压砧实验技术及其在激光Raman光谱中的应用论文摘要：介绍了激光Raman 光谱测量技术及其在科学中的应用；重点介绍了金刚石对顶砧diamond anvil cell, DAC高压实验技术及其与激光Raman 光谱测试方法相结合，为高压下材料科学研究提供了一种有效途径。论文关键词：拉曼光谱,金刚石对顶砧,高压实验一激光Raman光谱测量技术当光照射到物质上时会发生弹性散射和非弹性散射。弹性散射的散射光是与激发光波长相同的成分，非弹性散射的散射光有比激发光波长长的和短的成分,这一现象统称为拉曼Raman效应。把频率小于入射光频率的谱线称为斯托克斯线，而把频率大于入射光频率的谱线称为反斯托克

2、斯线。拉曼散射是固体中的光学声子等元激发与激发光相互作用产生的非弹性散射，起源于分子振动(和点阵振动)与转动，因此从拉曼光谱中可以得到分子振动能级(点阵振动能级)与转动能级结构的知识，同时拉曼频率及强度、偏振等标志着散射物质的性质，从这些资料可以导出物质结构及物质组成成分的信息，这就是拉曼光谱具有广泛应用的原因。由于拉曼散射非常弱，强度大约为瑞利散射的千分之一,所以一直到1928年才被印度物理学家拉曼所发现。文献中详细介绍了几种近代拉曼光谱分析技术。拉曼光谱技术是重要的现代分子光谱技术，广泛应用于物理、化学、材料科学、生命科学等诸多学科领域，是研究物质分子结构的有力工具。应用Raman光谱分析

3、技术，可以对物质进行定性、定量的分析。二金刚石对顶砧diamondanvilcell,DAC高压实验技术高压实验技术是进行高温高压极端条件下材料物性研究不可缺少的技术根底。目前,按照压力产生方式的不同,高压实验技术可分为静态高压和动态高压两种类型。动高压是用脉冲加载原理产生超高压的一种技术,即利用爆炸或高速撞击方法产生高压或超高压环境的条件,同时伴随相应的升温。它以压力、密度和温度的急剧增加为前导。它的中心处于强烈的压缩状态，这种压缩状态称之为冲击压缩;，这种冲击压缩;产生的瞬态高温高压经常被用于人工合成超硬材料或用于固化粉状物的技术。金刚石对顶砧高压装置diamondanvilcell,DA

4、C的创造是高压技术开展中的一次革命。虽然人们很早就知道金刚石在的材料中具有最高硬度以及对X射线和绝大局部波长的光线透明等优异特性，但是将这些优点第一次用于高压实验，还是在1950年Lawson和Tang利用单晶金刚石作为对顶砧进行的X射线衍射研究中。随后的十多年间，研究人员相继开展了金刚石对顶砧中的金属封垫技术、红宝石测压技术以及甲醇乙醇或者甲醇乙醇水等混合液作为传压介质的技术。正是由于这些技术的开展才使得金刚石对顶砧成为现代物理研究中产生静态高压的有效工具。金刚石对顶砧高压装置DiamondAnvilCell，DAC由一对金刚石对顶砧和一个带有小孔的密封垫组成,其形状如图1a所示。金刚石对顶

5、砧由宝石级金刚石磨制而成，一般重量为0.1-0.5克拉。两颗金刚石对压的面称为砧面，压砧砧面的形状为正十六边或正八边形，二砧面之间要求有高的平行度。其工作原理是将带有小孔的密封垫放在两块相对放置的金刚石外表之间，两块金刚石的砧面和密封垫片的小孔其直径约为100-300m就形成了样品室，样品、红宝石和液体传压介质放入样品室内图1b。当相互挤压两块金刚石时，在样品室中就会产生非常高的压力。在加压的过程中，必须保证两块金刚石的外表严格平行和精确的对中对称轴重和，否那么金刚石将被压碎。由于采用大质量支撑原理，并且金刚石的砧面很小几百个微米，因此很容易在样品腔内产生很高的压力。这个装置的特点是通过旋拧两

6、组对称的左右旋螺丝，依靠螺丝向下旋进的推力使上面的金刚石向下面的金刚石挤压，腔体的体积缩小，在样品腔内产生沿DAC轴向的压力。图.1(a)金刚石对顶砧结构示意图Fig.1(a)Thesketchmapofthediamondanvilcell(DAC)图.1(b)金刚石压腔内部顶砧结构示意图Fig.1(b)Thesketchmapofanvilinthediamondanvilcell三金刚石对顶砧高压实验技术与Raman光谱相结合测试方法金刚石不但具有最高的硬度而且具有良好的光谱透过性,对射线、X射线、紫外线、可见光直到远红外线都具有良好的透明性，适合做高压腔体的测量窗口，多种测试手段都可以

7、在金刚石对顶砧装置中得到应用，其中包括拉曼Raman光谱学研究。Raman光谱是表征物质结构及其变化的一种重要手段,DAC超高压实验技术与激光Raman光谱测试方法相结合,为高压下物质结构相变研究提供了有力手段。早在1968年，Brasch等人第一次在DAC中进行了Raman散射研究。通过高压下的拉曼光谱不仅可以获得物质在高压下的声子谱、电-声相互作用以及晶格振动的非简谐信息,还可以测量物质的熔化曲线以及Mode-Grneisen参数、固-固相变、固-液相变、P-T相图等。当晶体结构发生固-固相变时，反映晶体结构特征的外振动谱线会发生明显的变化。我们利用金刚石对顶砧高压装置，对CaSO进行了高

8、压原位Raman光谱的测量，通过高压Raman光谱的变化，发现CaSO在压力为1.8GPa时，发生了压力导致的晶体结构相变；通过对(MgFeCa)AlSiO的高压原位Raman光谱和X射线衍射的测量，获得了其Mode-Grneisen参数。参考文献1 里佐威.近代Raman光谱技术 物理实验,2001. 22: 3-7.3 Jayaraman A. Ultrahigh pressures . Rev Sci Instrum ,1986 ,57 :10131031.4 Xu J N , Mao H K, Bell PM. High pressure ruby and diamond fluore

9、scence :Observations at 0.21to 0.55 Terapascal . Science,1986 ,232 :14041406.5 崔启良,李芳菲. 高温高压金刚石压砧原位光谱测量的研究 吉林师范大学学报(自然科学版), 2021,4:911.6 A. W. Lawson and T. Y. Tang, A diamond bomb for obtaining powder pictures at high pressures.Rev. Sci. Instrum, 1950, 21:815816.7 J. W. Brasch, A. J. Melveger and E

10、. R. Lippincott, Laser excited Raman spectra ofsamples under very high pressure. Chem. Phys. Lett., 1968, 2:99100.8 Wang Z, Lazor P and Saxena S K et al. High pressure Raman spectroscopy of ferrite MgFe O .Materials Research Bulletin, 2002 ,37 :15891602.9 B. A.Weinstein , G. J . Piermarini. Raman scattering and phonon dispersion in Siand GaP at very high pressure. Phys. Rev. B ,1975 ,12 :11721186.10 Ma Yanmei, Zhou Qiang, Li Fangfei et al. High-pressure and high-temperature study of the phase transition in anhydrite. J. Phys.: Condens. Matter, 2007, 19 :425221 425228.11 MA