了解拉曼光谱原理及应用领域

2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：图2.5.5拉曼散射示意图图2.5.6散射光谱示意图2.拉曼光谱测量系统拉曼光谱测量系统与光致发光谱系统相似,也主要分为光源、光路和分光系统、样品室、探测和数据记录系统四个部分,如图2.5.7所示。图2.5.7拉曼光谱测量系统示意图由于拉曼散射的效率十分低,为了能够有效地探测到信号,往往要求激发光源具有相当好的单色性,并且发光功率要足够大。

1.拉曼散射的基本原理

拉曼(Raman)散射是光子受材料中各种元激发所对应的极化起伏的影响时所产生的散射。拉曼散射是一种非弹性散射,即在散射过程中光子与系统有能量交换。声子散射是拉曼散射中最常用的元激发。本节内容以声子散射为例来讨论拉曼散射的物理机制。声子本质上是晶格振动的能量量子化,入射光与晶格振动相互作用而发生非弹性散射的过程就是吸收和发射声子的过程。

pagenumber_ebook=37,pagenumber_book=30

图2.5.4　瑞利散射示意图

当入射光照射到样品上时,在入射光子外电场的作用下,分子、原子周围的电子云形状会发生形变,导致分子的正负电荷中心产生相对移动,出现感生偶极矩。此感生偶极矩可再次发生次级电磁辐射,发出与入射光频率相同的散射光,此弹性散射被称为瑞利(Rayleigh)散射。考虑晶格振动,假设系统中有两个能量差为ΔE的能级,分别是基态E 0和振动激发态E 1,ΔE为声子的能量。入射光产生的感生偶极矩会受到系统中声子的调制,相当于入射光子与声子发生能量交换,使出射光的频率偏离入射光,发生拉曼散射。瑞利散射和拉曼散射的示意分别如图2.5.4和图2.5.5所示。

从图2.5.4和图2.5.5所示可以看出,拉曼散射光的频率可能比入射光小Δυ,也有可能比入射光大Δυ,这一散射光频率相对于入射光频率的变化量,此变化量被称为拉曼位移。在实际测量中,其实大部分散射光都是瑞利散射,只有很小一部分是拉曼散射。在散射谱中,瑞利散射对应的谱线称为瑞利线;频率比入射光小Δυ处对应的拉曼谱线称为斯托克斯(Stokes)线;相反地,频率比入射光大Δυ处对应的拉曼谱线称为反斯托克斯(anti-Stokes)线。斯托克斯线和反斯托克斯线总是成对地、频移对称地分布在瑞利线的两侧,如图2.5.6所示。一般情况下,由于基态分子数大于振动激发态分子数,所以斯托克斯线强度通常比反斯托克斯线大很多,随着温度升高,反斯托克斯线的强度会有所增加。

pagenumber_ebook=38,pagenumber_book=31

图2.5.5　拉曼散射示意图

pagenumber_ebook=38,pagenumber_book=31

图2.5.6　散射光谱示意图

2.拉曼光谱测量系统

拉曼光谱测量系统与光致发光谱系统相似,也主要分为光源、光路和分光系统、样品室、探测和数据记录系统四个部分,如图2.5.7所示。首先通过光路系统将激发光聚焦到样品上,激发光与样品相互作用产生散射光,再利用会聚透镜组将微弱的散射光收集并聚焦到单色仪上,分光后被探测系统探测并转化为电信号,最后通过计算机进行数据记录和处理系统,得到光谱信号。根据拉曼散射的特点,对系统中具体部件的要求有所不同。

pagenumber_ebook=38,pagenumber_book=31

图2.5.7　拉曼光谱测量系统示意图

由于拉曼散射的效率十分低(约为10-7或更低),为了能够有效地探测到信号,往往要求激发光源具有相当好的单色性(即线宽要窄),并且发光功率要足够大。气体激光器能够满足这些要求,最常用的是氩离子激光器,波长为514.5 nm和488.0 nm的谱线最强,单频输出功率为0.2～1 W,还可以选用氦氖激光器、CO2分子激光器、脉冲红宝石激光器等。除了对光源有要求,拉曼系统对光路的要求也很高,需要以最有效的方式将光束照射到样品上和收集散射光。分光系统要求具有高的分辨率和低的杂散光,一般为双联单色仪。根据激发光波长的不同,散射光所在的光谱区也不同。因此,在探测和记录系统中,要选用合适的光谱响应的光电探测器。另外,为了增强系统对微弱信号的鉴别能力,探测系统中还配有光子计数器。

3.拉曼光谱的应用

拉曼光谱在半导体中的应用主要包括晶格结构和晶体取向的分析、化合物半导体组分的判定[22](如三族氮化物三元合金的组分分析)、半导体晶体中相分凝的鉴定[23](如六方相和立方相Ga N的鉴定)以及材料中的应力表征[24](如在氮化镓材料中,横光学声子高支光的特征峰对材料中的应力较为敏感,而且受其他因素的影响较小,因此该特征峰常常用来表征外延膜中的应力的大小,张应力使特征峰红移,压应力使特征峰蓝移)等。

了解拉曼光谱原理及应用领域

相关推荐