拉曼光谱的原理及碳纳米材料中的应用

激光拉曼光谱1目录拉曼光谱简介拉曼光谱原理拉曼光谱的使用范围碳纳米管拉曼光谱2拉曼光谱简介红外VS拉曼红外光谱和拉曼光谱统称为振动光谱。红外光谱为吸收光谱；拉曼光谱为散射光谱。红外光谱——红外活性——永久偶极矩变化——极性基团信息拉曼光谱——拉曼活性——诱导偶极矩变化——分子骨架信息非对称振动产生强的红外吸收；对称振动产生显著的拉曼谱带。3拉曼光谱的原理弹性碰撞——非弹性碰撞瑞利散射——拉曼散射斯托克斯线——反斯托克斯线拉曼位移极化度——诱导偶极矩4拉曼光谱的原理波长为v099.9%0.1%碰撞，散射气体、液体、透明晶体一频率为v0的入射光照射到样品上，绝大部分可以透过，大于哦有0.1%的入射光光子与样品发生碰撞后向各个方向散射。拉曼光谱是通过收集这些散射的光线来获取样品信息的，因此又称为散射光谱。5拉曼光谱原理瑞利散射：发生弹性碰撞后散射，即碰撞后的射线波长没有改变。拉曼散射：发生非弹性碰撞，即碰撞后的射线波长发生改变。斯托克斯线：拉曼散射中，波长减小的线。v=v0-vk反斯托克斯线：拉曼散射中，波长增加的线。v=v0+vk6拉曼光谱原理斯托克斯线和反斯托克斯线与瑞利散射之间的差值为-vk和vk，数值相等符号相反，因此，拉曼谱线对称的分布在瑞利线的两侧。拉曼位移：斯托克斯线和反斯托克斯线与入射线频率的差值因此对于同一分子能级，斯托克斯线和反斯托克斯线的拉曼位移应该是相等的。7拉曼光谱原理拉曼位移的大小与入射光频率无关，只与分子振动能级的改变有关，其值取决于物质分子振动激发态与振动基态的能级差。△v=△E/h因此△v是特征值。根据波尔兹曼定律，在常温下处于基态的分子比处于激发态的分子数多，遵守波尔兹曼分布，因此斯托克斯线的强度要高于反斯托克斯线的强度。通常我们只测斯托克斯线。8拉曼光谱使用范围拉曼活性拉曼活性取决与物质分子在振动中极化率是否变化，只有极化率有变化的振动才有拉曼活性。拉曼散射的强度与极化率成正比。极化率：在电场作用下，分子中原子在通过平衡位置前后电子云的变形程度。拉曼活性与红外活性比较：红外活性是对应着分子振动时偶极矩的变化；拉曼活性对应着分子振动时极化率的变化。高对称的振动是拉曼活性的；高度非对称的振动是红外活性的。见图9拉曼光谱使用范围在v1中，偶极矩不变，无红外活性，电子云形状变了，有拉曼活性。v2v3v4中均有偶极矩的变化，所以具有红外活性，在平衡位置前后，电子云形状相同，因此无拉曼活性。10拉曼光谱特点拉曼光谱=瑞利散射＋拉曼散射拉曼光谱的特点a.光谱图横坐标为拉曼频率，用波数表示，纵坐标为谱带强度。b.拉曼位移的波长在中红外区（40-4000cm-1）c.具有红外及拉曼活性的分子，同一振动方式产生的拉曼位移频率（波数）和红外吸收频率波数相似。d.低波数段测定容易，弥补了红外光谱的远红外区的不足。11常见碳材料富勒烯（sp2）碳纳米管（sp2）金刚石（sp3）石墨烯（sp2）12单壁碳纳米管的拉曼光谱主要峰值：RMB（100-400cm-1）：表征碳纳米管的直径D（1340）：碳纳米管中的结构缺陷G（1572）：sp2结构的特征峰G'（2659）：缺陷的程度单壁碳纳米管主要由sp2键组成，有些缺陷（D波段）呼吸模式（RMB），与碳管收缩振动有关系，表征碳管直径。13多壁碳纳米管改性后Raman光谱的ID/IG由原来的0.9增加到1.41，1.43。R值变大了，说明表面处理后，碳纳米管的表面负载上了功能集团，破坏了原先的有序结构。R=ID/IG:两种特征峰的比值代表碳纳米管石墨化的程