材料表征基础 课件 6.5 拉曼光谱

§6.5拉曼光谱讲授人：XXX《材料表征基础》战略性新兴领域“十四五”高等教育系列教材内容提要01020304拉曼散射与拉曼光谱拉曼散射的理论解释拉曼频移与强度拉曼光谱的实验基础05拉曼光谱的应用实例1.

拉曼散射当光入射到介质上时，除了被介质吸收、反射和透射外，还有一部分光被散射。弹性散射（瑞利散射）方向改变能量不变非弹性散射（拉曼散射）方向改变发生能量交换按波数变化分类瑞利散射布里渊散射拉曼散射1.

拉曼光谱拉曼光谱分析中，通常测定斯托克斯散射光线，它与激发光频率之差称为拉曼频移或拉曼位移。分子吸收频率为ν0的光子，发射ν0–ν的光子（即吸收的能量大于释放的能量），同时分子从低能态跃迁到高能态（斯托克斯线）分子吸收频率为ν0的光子，发射ν0+ν的光子（即释放的能量大于吸收的能量），同时分子从高能态跃迁到低能态（反斯托克斯线）2.拉曼散射的理论解释

2.拉曼散射的理论解释

2.拉曼散射的理论解释

3.拉曼频移和强度与物质结构、分子振动的关系拉曼频移是指散射光与入射光之间的频率差异。拉曼频移和强度的变化与物质结构、化学键和分子振动密切相关。频移的大小和方向取决于物质的振动模式以及光子和分子之间的相互作用，不同类型的振动模式（如拉伸、弯曲、扭转等）对应于不同的频移。

其中，Δν̃是以波数表示的拉曼频移，λ0是激发波长，λ1是拉曼光谱波长。拉曼强度是指在拉曼散射中探测到的散射光的强度，它与分子振动的性质以及分子的浓度有关：振动模式的极化率变化：拉曼散射的强度与分子在振动时极化率的变化程度有关。极化率变化越大，拉曼强度通常越强。这意味着一些振动模式比其他模式更容易被探测到。分子的浓度：在一定的激发光条件下，分子的浓度越高，所产生的拉曼散射信号就越强。因此，拉曼强度也与样品中分子的数量密切相关。4.拉曼光谱技术的实验基础拉曼光谱仪的工作原理：通常采用单色激光作为光源。激光通过透镜聚焦到样品上，并与样品中的分子发生作用，然后在垂直入射的方向收集散射光，散射光包含原始激发光和拉曼散射光。通过滤光装置后，原始激发光被滤掉，然后经光栅分解成不同波长的光进入探测器。探测器将这些光信号转换为电信号输入计算机，形成拉曼光谱。拉曼光谱技术的优点1.非破坏性2.无需复杂的样品准备3.高灵敏度4.快速分析5.化学选择性6.便于表征拉曼光谱仪的构成1.激光光源2.样品舱3.光学系统4.光谱仪5.探测器工作原理示意图5.拉曼光谱的应用实例石墨烯的拉曼光谱显示出两个主要的拉曼振动峰，分别位于~1590cm⁻1和~2700cm⁻1处。前者是G峰，来源于石墨烯中sp2杂化碳原子的面内振动E2g模式；后者是2D峰，来源于D模（1350cm–1附近）的双声子共振拉曼峰。D模是布里渊区界面声子，它在无缺陷石墨的拉曼谱中不会出现。同素异形体的结构鉴别碳的同素异形体拉曼光谱和晶体结构示意图5.拉曼光谱的应用实例单层石墨烯的2D峰可以用单个洛伦兹峰拟合，而双层石墨烯中出现了4个拟合峰，分别代表四个可能的双共振过程。随着层数的增加，G峰位置向低波数方向移动。G峰和2D峰的强度比可以用来辨别石墨烯层数。二维材料层数的快速识别532nm激光激发下1~4层石墨烯的拉曼光谱2D峰随石墨烯层数变化的拉曼谱图5.拉曼光谱的应用实例在辨别二维材料层数的应用上，大多利用的是高频区的拉曼模式，它反映了层内原子间的相对振动。而低频区的剪切模式和呼吸模式反映的是单层作为一个整体，层与层之间的相对振动。这些低频模式多由层间的范德瓦尔斯作用来决定，因此，可以用来确定二维材料的层数和堆垛方式等。带有缺陷的石墨烯在波数1350cm–1附近会出现拉曼振动D峰。碳纳米管中的碳原子以sp2杂化构成共价键，其拉曼光谱如果在1350cm–1附近出现D峰，说明了sp3杂化碳原子的出现，或者sp2杂化网状结构的缺陷，D峰强度反映了碳纳米管中缺陷的相对数量；