拉曼光谱在纳米材料方面的应用

拉曼光谱在纳米材料方面的应用

摘要：纳米材料自发现以来，由于其尺寸效应带来的特殊性能使之成为研究热点，应用于各种领域。拉曼

光谱在材料表征中应用广泛，能为纳米材料提供一些特殊的信息，如氧化石墨烯的拉曼增强效应，碳量子

点结构的表征，碳纳米管的表征等。

关键词：拉曼光谱纳米材料表征

Application of Raman Spectroscopy in Nano-Materials

Abstract：Nano-materials, due to their unique properties and versatile functions,are the hot topics in various research.Raman spectroscopy is widely used in the characterization of

materials,providing composition and structure information at molecular level.For example,the enhanced-raman effect of graphene oxide,the characterization of the structure of the carbon quantum dot,the characterization of carbon nanotubes.

Keyword: Raman spectroscopy Nano-materials characterization

1引言

1928年印度实验物理学家拉曼发现了光的一种类似于康普顿效应的光散射效应, 称为拉曼效应。简单地说就是光通过介质时由于入射光与分子运动之间相互作用而引起的光频率改变。拉曼因此获得1930年的诺贝尔物理学奖,成为第一个获得这一奖项并且没有接受过西方教育的亚洲人[1]。

拉曼光谱是研究分子振动的一种光谱方法。它的原理和机制都与红外光谱不同，但它提供的结构信息却是类似的，都是关于分子内部各种简正振动频率及有关振动能级的情况。从而可以用来鉴定分子中存在的官能团。分子偶极矩变化是红外光谱产生的原因，而拉曼光谱是分子极化率变化诱导的,它的谱线强度取决于相应的简正振动过程中极化率的变化的大小。在分子结构分析中，拉曼光谱与红外光谱是相互补充的。例如：电荷分布中心对称的键，如C-C、N=N、S-S等红外吸收很弱，而拉曼散射却很强[2]。因此，一些在红外光谱仪无法检测的信息在拉曼光谱能很好地表现出来[3]。

拉曼光谱作为表征分子振动能级的指纹光谱,已在物理、化学、生物学与材料学科等领域得到广泛应用。拉曼光谱是物质的非弹性散射光谱，能够提供材料在振动和电子性质方面的独特信息。在纳米材料的研究方面，拉曼光谱可以帮助考查纳米粒子本身因尺寸减小而产生的对拉曼光谱的影响以及纳米粒子的引入对玻璃相结构的影响。特别是对于研究低维纳米

材料，它已经成为首选方法之一。由于拉曼光谱具有灵敏度高、不破坏样品和方便快速等优点，所以利用拉曼光谱可以对纳米材料进行分子结构分析、键态特征分析和定性鉴定等[1]。下面主要来介绍下拉曼光谱在纳米材料方面的应用。

2.拉曼光谱

光照射到物质上发生弹性散射和非弹性散射.弹性散射的散射光是与激发光波长相同的成分.非弹性散射的散射光有比激发光波长长的和短的成分,统称为拉曼效应。

当用波长比试样粒径小得多的单色光照射气体、液体或透明试样时，大部分的光会按原来的方向透射，而一小部分则按不同的角度散射开来，产生散射光。在垂直方向观察时，除了与原入射光有相同频率的瑞利散射外，还有一系列对称分布着若干条很弱的与入射光频率发生位移的拉曼谱线，这种现象称为拉曼效应。由于拉曼谱线的数目，位移的大小，谱线的长度直接与试样分子振动或转动能级有关。因此，与红外吸收光谱类似，对拉曼光谱的研究，也可以得到有关分子振动或转动的信息。目前拉曼光谱分析技术已广泛应用于物质的鉴定，分子结构的研究谱线特征。

拉曼散射光谱具有以下明显的特征：

a.拉曼散射谱线的波数虽然随入射光的波数而不同，但对同一样品，同一拉曼谱线的位移与入射光的波长无关,只和样品的振动转动能级有关；

b.在以波数为变量的拉曼光谱图上，斯托克斯线和反斯托克斯线对称地分布在瑞利散射线两侧,这是由于在上述两种情况下分别相应于得到或失去了一个振动量子的能量。

c.一般情况下，斯托克斯线比反斯托克斯线的强度大。这是由于Boltzmann分布，处于振动基态上的粒子数远大于处于振动激发态上的粒子数。

几种重要的拉曼光谱分析技术

1、单道检测的拉曼光谱分析技术

2、以CCD为代表的多通道探测器用于拉曼光谱的检测仪的分析技术

3、采用傅立叶变换技术的FT-Raman光谱分析技术

4、共振拉曼光谱分析技术

5、表面增强拉曼效应分析技术

3.拉曼光谱的应用

通过对拉曼光谱的分析可以知道物质的振动转动能级情况,从而可以鉴别物质,分析物质的性质.拉曼光谱分析技术是以拉曼效应为基础建立起来的分子结构表征技术,其信号来源与分子的振动和转动。拉曼光谱的分析方向有：

定性分析：不同的物质具有不同的特征光谱，因此可以通过光谱进行定性分析。

结构分析：对光谱谱带的分析,又是进行物质结构分析的基础。

定量分析：根据物质对光谱的吸光度的特点,可以对物质的量有很好的分析能力。

3.1拉曼光谱在氧化石墨烯拉曼增强效应测定的应用

石墨烯，是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料[4]。石墨烯的问世引起了全世界的研究热潮。它是已知材料中最薄的一种，质料非常牢固坚硬，在室温状况，传递电子的速度比已知导体都快。石墨烯的原子尺寸结构非常特殊，必须用量子场论才能描绘。通过对石墨烯进行氧化及化工处理，然后使他们漂浮在水中，石墨烯会剥落并形成有强力键的单层。这些被称为石墨烯氧化物的层状材料被测量到具有32 GPa的拉伸模数[5]。

2012年梁薇姿[6]等人采用改进的Hummers方法[7,8].制备氧化石墨烯，通过超声把氧化石墨烯粉末分散于水中得到不同浓度的悬浮液。然后把悬浮液沉积在SiO2/Si系统上，并在空气中晾干。为了测试拉曼增强效应，探测分子滴在氧化石墨烯基底上，并在空气晾干。利用拉曼光谱仪在激发波长为532nm条件下探测探针分子的拉曼信号。得到二维碳纳米材料氧化石墨烯具有拉曼增强效应，在拉曼光谱上得到氧化石墨烯的强的特征峰，石墨烯作为基底可制得具有表面增强拉曼效应的罗丹明6G、三聚氰胺、头孢氨苄。

3.2 拉曼光谱在碳量子点结构表征方面的应用

2011年张景春[9]等人利用环境友好的EDTA钠盐为热解前驱体，在低温下（300~400℃）制备出了水溶性好、量子产率高（40.6%）、半峰宽窄的蓝色荧光碳量子点，并具有上转换荧光和良好的光稳定性。利用拉曼光谱测得其结构特征，其谱图如2.2所示。