拉曼光譜的原理及碳納米材料中的應(yīng)用

激光拉曼光譜1目錄拉曼光譜簡(jiǎn)介拉曼光譜原理拉曼光譜的使用范圍碳納米管拉曼光譜2拉曼光譜簡(jiǎn)介紅外VS拉曼紅外光譜和拉曼光譜統(tǒng)稱為振動(dòng)光譜。紅外光譜為吸收光譜；拉曼光譜為散射光譜。紅外光譜——紅外活性——永久偶極矩變化——極性基團(tuán)信息拉曼光譜——拉曼活性——誘導(dǎo)偶極矩變化——分子骨架信息非對(duì)稱振動(dòng)產(chǎn)生強(qiáng)的紅外吸收；對(duì)稱振動(dòng)產(chǎn)生顯著的拉曼譜帶。3拉曼光譜的原理彈性碰撞——非彈性碰撞瑞利散射——拉曼散射斯托克斯線——反斯托克斯線拉曼位移極化度——誘導(dǎo)偶極矩4拉曼光譜的原理波長(zhǎng)為v099.9%0.1%碰撞，散射氣體、液體、透明晶體一頻率為v0的入射光照射到樣品上，絕大部分可以透過，大于哦有0.1%的入射光光子與樣品發(fā)生碰撞后向各個(gè)方向散射。拉曼光譜是通過收集這些散射的光線來獲取樣品信息的，因此又稱為散射光譜。5拉曼光譜原理瑞利散射：發(fā)生彈性碰撞后散射，即碰撞后的射線波長(zhǎng)沒有改變。拉曼散射：發(fā)生非彈性碰撞，即碰撞后的射線波長(zhǎng)發(fā)生改變。斯托克斯線：拉曼散射中，波長(zhǎng)減小的線。v=v0-vk反斯托克斯線：拉曼散射中，波長(zhǎng)增加的線。v=v0+vk6拉曼光譜原理斯托克斯線和反斯托克斯線與瑞利散射之間的差值為-vk和vk，數(shù)值相等符號(hào)相反，因此，拉曼譜線對(duì)稱的分布在瑞利線的兩側(cè)。拉曼位移：斯托克斯線和反斯托克斯線與入射線頻率的差值因此對(duì)于同一分子能級(jí)，斯托克斯線和反斯托克斯線的拉曼位移應(yīng)該是相等的。7拉曼光譜原理拉曼位移的大小與入射光頻率無(wú)關(guān)，只與分子振動(dòng)能級(jí)的改變有關(guān)，其值取決于物質(zhì)分子振動(dòng)激發(fā)態(tài)與振動(dòng)基態(tài)的能級(jí)差?！鱲=△E/h因此△v是特征值。根據(jù)波爾茲曼定律，在常溫下處于基態(tài)的分子比處于激發(fā)態(tài)的分子數(shù)多，遵守波爾茲曼分布，因此斯托克斯線的強(qiáng)度要高于反斯托克斯線的強(qiáng)度。通常我們只測(cè)斯托克斯線。8拉曼光譜使用范圍拉曼活性拉曼活性取決與物質(zhì)分子在振動(dòng)中極化率是否變化，只有極化率有變化的振動(dòng)才有拉曼活性。拉曼散射的強(qiáng)度與極化率成正比。極化率：在電場(chǎng)作用下，分子中原子在通過平衡位置前后電子云的變形程度。拉曼活性與紅外活性比較：紅外活性是對(duì)應(yīng)著分子振動(dòng)時(shí)偶極矩的變化；拉曼活性對(duì)應(yīng)著分子振動(dòng)時(shí)極化率的變化。高對(duì)稱的振動(dòng)是拉曼活性的；高度非對(duì)稱的振動(dòng)是紅外活性的。見圖9拉曼光譜使用范圍在v1中，偶極矩不變，無(wú)紅外活性，電子云形狀變了，有拉曼活性。v2v3v4中均有偶極矩的變化，所以具有紅外活性，在平衡位置前后，電子云形狀相同，因此無(wú)拉曼活性。10拉曼光譜特點(diǎn)拉曼光譜=瑞利散射＋拉曼散射拉曼光譜的特點(diǎn)a.光譜圖橫坐標(biāo)為拉曼頻率，用波數(shù)表示，縱坐標(biāo)為譜帶強(qiáng)度。b.拉曼位移的波長(zhǎng)在中紅外區(qū)（40-4000cm-1）c.具有紅外及拉曼活性的分子，同一振動(dòng)方式產(chǎn)生的拉曼位移頻率（波數(shù)）和紅外吸收頻率波數(shù)相似。d.低波數(shù)段測(cè)定容易，彌補(bǔ)了紅外光譜的遠(yuǎn)紅外區(qū)的不足。11常見碳材料富勒烯（sp2）碳納米管（sp2）金剛石（sp3）石墨烯（sp2）12單壁碳納米管的拉曼光譜主要峰值：RMB（100-400cm-1）：表征碳納米管的直徑D（1340）：碳納米管中的結(jié)構(gòu)缺陷G（1572）：sp2結(jié)構(gòu)的特征峰G'（2659）：缺陷的程度單壁碳納米管主要由sp2鍵組成，有些缺陷（D波段）呼吸模式（RMB），與碳管收縮振動(dòng)有關(guān)系，表征碳管直徑。13多壁碳納米管改性后Raman光譜的ID/IG由原來的0.9增加到1.41，1.43。R值變大了，說明表面處理后，碳納米管的表面負(fù)載上了功能集團(tuán)，破壞了原先的有序結(jié)構(gòu)。R=ID/IG:兩種特征峰的比值代表碳納米管石墨化的程