探究拉曼散射谱特性

2023-06-20 理论教育版权反馈

【摘要】：当激光照射到物质上，用探测仪测出不同散射光的波长，记录下其强度，就可以得到拉曼散射谱。拉曼散射线的强度与入射光强度及样品分子浓度呈正比。因此，利用拉曼效应，以及拉曼散射光和样品分子结构之间的关系，可对物质进行定性定量及结构分析。图5-2ClC4的拉曼光谱1.拉曼散射谱的基本特征从图5-2可以看到，拉曼光谱具有以下基本特征，这些拉曼谱特有的基本特征有利于在实验中把拉曼谱和其他光谱区分开。

当激光照射到物质上，用探测仪测出不同散射光的波长，记录下其强度，就可以得到拉曼散射谱（也可称为拉曼光谱）。在拉曼光谱中，通常以波数（cm-1）为能量的单位，光谱图上标记的散射光频率常称为拉曼频率（Raman frequency）或拉曼频移（Raman shift）。最简单的拉曼光谱如图5-2所示。在光谱图中有三种线，中央是瑞利散射线，频率为ω0（与入射光的频率相同），强度最高；低频一侧是斯托克斯线，与瑞利线的频差为Δν，强度比瑞利线的强度弱很多，约为瑞利线的强度的几百万分之一至万分之一；高频一侧是反斯托克斯线，与瑞利线的频差也为Δν，和斯托克斯线对称地分布在瑞利线两侧，强度比斯托克斯线的强度又弱很多，因此并不容易观察到反斯托克斯线的出现，但反斯托克斯线的强度随着温度的升高而迅速增大。斯托克斯线和反斯托克斯线通称为拉曼线，其频率常表示为ν0±Δν（Δν称为拉曼频移），对于同一物质，拉曼频移与入射光频率无关，而与样品分子的振动能级有关，是表征分子振动能级的特征物理量。对于不同物质，拉曼频移量不同。拉曼散射线的强度与入射光强度及样品分子浓度呈正比。因此，利用拉曼效应，以及拉曼散射光和样品分子结构之间的关系，可对物质进行定性定量及结构分析。

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图5-2　ClC4的拉曼光谱

1.拉曼散射谱的基本特征从图5-2可以看到，拉曼光谱具有以下基本特征，这些拉曼谱特有的基本特征有利于在实验中把拉曼谱和其他光谱区分开。

（1）频率特征：①改变入射光频率ω0，散射光频率不变；②斯托克斯线和反斯托克斯线频率的绝对值相等。

（2）强度特征：①拉曼散射极弱，一般只有入射光的10-6～10-12；②拉曼谱的斯托克斯线的强度IS比反斯托克斯线强度IAS大许多，两者的比值由下式表述

（3）偏振特征。当入射光是偏振光时，对于确定方位的分子和晶体，散射光的偏振特征与入射光的偏振状态有关，即出现所谓的“偏振选择定则”。

2.拉曼散射谱所包含的特有信息

从上述拉曼光谱的基本特征，可知拉曼光谱包含一些其他光谱无法得到的信息，举例如下。

（1）光谱测量点的原位温度T。从式5-1可知，根据拉曼谱的斯托克斯和反斯托克斯的强度比IS／IAS，可以直接获得光谱被测点的原位温度。如图5-3所示为碳纳米管的拉曼光谱随温度变化的关系，其中○和▲分别表示拉曼激光加热并根据式5-1所计算的原位温度和加热台加热测量的温度。可以发现，两者的变化规律完全相同，这证明了拉曼光谱测温的可行性和可信度。

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图5-3　单壁碳纳米管的拉曼光谱与温度的关系［3］

（2）体系对称性质的信息。偏振拉曼散射为研究晶体或分子的结构提供了重要手段，在拉曼光谱学中形成了一个重要分支。用偏振拉曼散射的方法可迅速定出分子振动的固有频率，并可确定分子的对称性、分子内部的作用力等。同时，还可获得纳米材料排列对称性质方面的大量信息。如图5-4为偏振拉曼光谱强度与单壁碳纳米管（CNT）排列方向的关系。图中实线为理论计算，点为实验数据。实验数据与理论计算的高度一致也说明了利用偏振拉曼光谱可以研究纳米材料的排列有序度。

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图5-4　单壁碳纳米管的偏振拉曼光谱强度与CNT排列方向的关系［4］

3.拉曼光谱测试的优点

相比于其他测试手段，拉曼光谱测试具有以下几个优点：①对样品无接触，无损失；②无需特殊的制样方法；③可以快速分析，鉴别材料的特性与结构；④适合黑色样品和含水样品；⑤可在高、低温及高压条件下测试；⑥光谱成像快速、简便，分辨率高；⑦仪器维护成本低，使用简单。

探究拉曼散射谱特性

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