拉曼光譜的原理及碳納米材料中的應用

激光拉曼光譜1目錄拉曼光譜簡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拉曼光譜簡介紅外VS拉曼紅外光譜和拉曼光譜統(tǒng)稱為振動光譜。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——極性基團信息拉曼光譜——拉曼活性——誘導偶極矩變化——分子骨架信息非對稱振動產(chǎn)生強的紅外吸收；對稱振動產(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——誘導偶極矩4拉曼光譜的原理波長為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發(fā)生改變。斯托克斯線：拉曼散射中，波長減小的線。v=v0-vk反斯托克斯線：拉曼散射中，波長增加的線。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)值相等符號相反，因此，拉曼譜線對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于同一分子能級，斯托克斯線和反斯托克斯線的拉曼位移應該是相等的。7拉曼光譜原理拉曼位移的大小與入射光頻率無關(guān)，只與分子振動能級的改變有關(guān)，其值取決于物質(zhì)分子振動激發(fā)態(tài)與振動基態(tài)的能級差?！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度要高于反斯托克斯線的強度。通常我們只測斯托克斯線。8拉曼光譜使用范圍拉曼活性拉曼活性取決與物質(zhì)分子在振動中極化率是否變化，只有極化率有變化的振動才有拉曼活性。拉曼散射的強度與極化率成正比。極化率：在電場作用下，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：紅外活性是對應著分子振動時偶極矩的變化；拉曼活性對應著分子振動時極化率的變化。高對稱的振動是拉曼活性的；高度非對稱的振動是紅外活性的。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，因此無拉曼活性。10拉曼光譜特點拉曼光譜=瑞利散射＋拉曼散射拉曼光譜的特點a.光譜圖橫坐標為拉曼頻率，用波數(shù)表示，縱坐標為譜帶強度。b.拉曼位移的波長在中紅外區(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)段測定容易，彌補了紅外光譜的遠紅外區(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，碳納米管的表面負載上了功能集團，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