碳碳单键和碳碳双键的拉曼光谱
碳材料拉曼激发波长
碳材料拉曼激发波长碳材料拉曼激发波长是一个重要的研究领域，它对于理解碳材料的物理性质、表征技术以及应用领域具有指导意义。
拉曼光谱是一种非常有效的表征碳材料结构的方法，它通过激发样本中的分子振动和晶格振动模式，获得样本的结构信息。
在碳材料中，常见的有石墨、石墨烯和纳米碳管等。
这些材料的拉曼光谱在不同波长下的激发，可以提供关于材料的成分、结构以及纳米尺度特征的详细信息。
首先，我们来讨论石墨烯的拉曼激发波长。
石墨烯是由单层碳原子组成的二维材料，它具有优异的电子传输性能和机械性能。
石墨烯的拉曼光谱主要包括G带和2D带。
G带位于约为1582 cm-1处，代表了石墨烯中的晶格振动模式。
2D带位于约为2679 cm-1处，代表了石墨烯的二维性质。
接下来，我们转向纳米碳管的拉曼激发波长。
纳米碳管是由碳原子卷曲形成的一维结构，具有特殊的光电性能和机械性能。
纳米碳管的拉曼光谱包含了Radial Breathing Mode (RBM)、G带和其他特征峰。
RBM位于100-400 cm-1范围内，是由于纳米碳管的径向振动引起的。
G 带和其他特征峰表明了纳米碳管的晶格振动模式和管状结构。
最后，我们来看石墨的拉曼激发波长。
石墨是由多层平行排列的石墨烯片组成的三维材料。
石墨的拉曼光谱包含了G带和其他更高阶的特征峰。
G带位于约为1582 cm-1处，代表了石墨中的晶格振动模式。
其他特征峰则表示了石墨中的堆叠方式和结构缺陷。
通过研究碳材料的拉曼激发波长，我们可以获得关于其结构特征、晶格振动和纳米尺度性质的重要信息。
这些信息对于碳材料的制备、性能优化以及各种应用领域，如能源存储、催化剂和传感器等都具有指导意义。
因此，深入研究碳材料的拉曼激发波长是非常有意义且具有挑战性的课题。
我们相信，在未来的研究中，这个领域将会有更多的突破和应用价值的发现。
实用干货丨解析常见碳材料的拉曼光谱`
1550 1540 1530 1520
0.8 1.0
G+ G-
Semiconducting
1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4
Diameter (nm)
Metallic tubes: G-→LO & G+→TO Semiconducting tubes: G- →TO & G+ →LO
G- diameter dependence → TO circumferential
做计算 找华算
Raman Shift (cm-1)
1600 1590 1580 1570 1560 1550 1540 1530
TO LO
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱG+ G-
Metallic
1600 1590
LO
1580 1570 1560
c. Illustration of the relationship between angles and the chiralities of
the adjacent edges.
做计算 找华算
当两相邻边缘的夹角是30°，90° 时，两边缘有不同的手性，一个是 armchair,一个是zigzag。
做计算 找华算
2D-BAND
层 数 依 赖 性
激发光能量依赖性
1. e excitation
2. e-phonon scattering
3. Phonon with opposite momentum 4. E-hole recombination
做计算 找华算
石墨的拉曼光谱
不同点不同偏振方向的 拉曼光谱 （a）完美石墨晶体 （b）有缺陷的石墨
拉曼光谱3
烯 烃 类
炔 烃 类
碳−碳三键伸缩振动，特别是当三键位于链的中间位置 时，在拉曼光谱中产生一个很强的谱带，但在红外光谱中它 是很弱的，甚至弱到难以观察到这个谱带。在二取代乙炔的 光谱中，通常在2230cm-1和2300cm-1附近出现两个谱带，它 们是 C C 振动和 C C 倍频之间的费米共振产生的。在单取 代炔衍生物中，碳氢伸缩振动 C H 在3300cm-1附近出现一个 谱带。这个谱带在红外光谱中相当强，但在拉曼光谱中为中 等强度。在这个范围内的O−H和N−H谱带都是宽谱带，且都在 红外光谱中是很强的。≡C−H基团还在650～600cm-1范围内 产生一个谱带，属于 C H 振动，它在红外光谱中是强谱带， 在拉曼光谱中为中等强度。
各种基团的特征频率
• 烃类
脂肪烷烃 环烷烃 不同分子中的烷基 烯烃类 炔烃类 芳烃类
脂肪烷烃
仅由饱和烃组成的脂肪基团可由端甲基和链中亚甲基的 振动所表征
端甲基有六种振动类型：
C H ,对称） 反对称伸缩振动（ C H ,反对称 ） 对称伸缩振动（
C H ,反对称 反对称变形振动（ ） 对称变形振动（ C H ,对称）
脂肪烷烃
4.如果分子中有几个相邻的CH2基团，面外摇摆振动 CH 2 谱带 在拉曼光谱中出现在1300cm-1。对于长的碳氢链，还有由碳− 碳键振动 C C在拉曼光谱中的900～800cm-1和1100～ 1000cm-1范围内产生的一系列（3个或4个）特征谱带。在拉 曼光谱的450～150cm-1范围内有几个由碳链变形振动产生的 谱带，它们的频率随链的长度增加而增大；
材料表征方法 第八章-拉曼光谱
拉曼频率及强度等标志着散射物质的性质。从 这些资料可以导出物质结构及物质组成成分的知识。 这就是拉曼光谱具有广泛应用的原因。 拉曼效应起源于分子振动(和点阵振动)与转动， 因此从拉曼光谱中可以得到分子振动能级(点阵振 动能级)与转动能级结构的知识。 拉曼散射强度是十分微弱的，大约为瑞利散射 的千分之一。在激光器出现之前，为了得到一幅完 善的光谱，往往很费时间。激光器的出现使拉曼光 谱学技术发生了很大的变革。
红外吸收要服从一定的选择定律，即分子振 动时伴随着分子偶极矩发生变化才能产生红外吸 收。同样，在拉曼光谱中，分子振动的产生也要 服从一定的选择定则，即必须伴随着分子极化度 发生变化的分子振动模式才能具有拉曼活性，产 生拉曼散射。 极化度是指分子改变其电子云分布的难易程 度，因此只有分子极化度发生变化的振动才能与 入射光的电场E相互作用，产生诱导偶极矩。
散射光谱
拉曼散射光谱（Raman）
拉曼光谱和红外光谱都反映了分子振动 的信息，但其原理却有很大的差别，红外光 谱是吸收光谱，而拉曼光谱是散射光谱。红 外光谱的信息是从分子对入射电磁波的吸收 得到的，而拉曼光谱的信息是从入射光与散 射光频率的差别得到的。
拉曼效应
拉曼光谱为散射光谱。当辐射通过介质 的时候，引起介质内带电粒子的受迫振动， 每个振动的带电粒子向四周发出辐射就形成 散射光。如果辐射能的光子与分子内的电子 发生弹性碰撞，光子不失去能量，则散射光 的频率与入射光的频率相同。1871年，瑞 利发现了这种散射光与入射光频率相同，这 种散射光就称为瑞利散射。
拉曼光谱适合同原子的非极性键的振动。如C-C，S-S，N-N键等， 对称性骨架振动，均可从拉曼光谱中获得丰富的信息。而不同原 子的极性键，如C=O，C-H，N-H和O-H等，在红外光谱上有反映。 相反，分子对称骨架振动在红外光谱上几乎看不到。拉曼光谱和 红外光谱是相互补充的。
常见碳材料及其拉曼光谱(精)
常见碳材料及其拉曼光谱陈翠红 200& 12.02三维的石金刚石 二维的石9烯・碳纳米带 一维的《纳米管•《纳米线 *维的富《烯(Ceo)S 筑学家理査《 •巴克明斯特•富«(Richard Buckminster Fuller) 设计的美国万国席览馆球形n 顶»壳＜氛.常见的碳材料有:占::石墨的拉曼光谱自然界中并不存在宏观尺寸的石S单晶，而是含有许许多多任《取向的微小晶粒(HHIuni) •高定向热解石星(HOK；)是人工生长的一种石星.其碳平面几乎完美地沿其垂直方向堆*.然而沿着石星平面内・晶粒仍然存在任竜取向但非常小•CMfMM(I)结构不Ph拉曼光谱不同(2) G-band(*l580cm M是由碳环或长»中的所有原子对的拉伸运动产生的.(3)缺陷和无序诱#n-band (-•I360vm ')的产生•blc)Amorpboin Cwtx>n (a very broadpMk)(4) 我们用D峰与G峰的强度比来衡*碳材料的无序度・Highly oriented pyrolytic graphite (No D❻and) at 1582 cnrJActivated Charcoal (D and G bands ot I3eo. lUOcm')Ramon Spoctmm of OraphlteK T・4Krv・A・ A・fe> I la KMAXUt<Kpe»4v*d U1969)Wfcr**1355CB-1峰的出现归结于微晶尺寸效应使得没有拉*活性的某些声子在选择定W改变后变得有了拉*活性•发现D模对于拉曼活性0«的相对强度与样品中石》微晶尺寸的大小相关.Mbaud的发现及其研究1970年量先报道了无序诱导的I)模.19X1年.一些人利用不同的激发光能量研究了石《的拉*光谱，得出D 模频率随激发光能童的线性移动.斜率在4(450an.1/tY之间.1990年，一些人通过实验总结了D模强度和样品中各种无序或峡陷的相互关系，证明无论石®存在任何形式的无序，D模都会出现•无序诱导的D-band 的产生一双共提拉曼散射D,2D-Band-Double ResonanceD-BandG-Band1 ・ e excitation2. e ・phonon scattering3. defect scattering 4・ E-hole recombination伴随着层数的增加强度提高2D-Bandf■H E(C)Rwran V fl (cm**)-- A r*-才—n2700 2*00AOCn<» fthW (CP'*'}L c excilatian 2. c-phonon scuitcring 3. Phonon uHh uppusilvrocmenluin4. E-hoIe reconibinution激发光能*依聯性石墨的拉曼光谱111«111 K|><-*<• (, r<>w<-<>1 >v <>r111<-*It V S r I ： I- It A N I I ： Ic I ，l< Ip A N |> C II It IM I I A r< *]' II <T M ?< I ：/•/ 小w”・，丿化/ 「“♦"如”切八 / "力. "/< <F«| J71>< <<«iau.4 ik >2/八Af4/u/ E cf 川初”•"山紹•次・ 77管/“n ・Ar Z7f r Z A /«."桁./yr#7l/>. fitrtuttuy不同点不同《«方向的拉曼光谱 (a) 完美石ft 晶体 (b) 有缺陷的石《激发光能«增加. 向离能方向移动・激发光波长衽近任外到近紫外是 性的・ «»4O'S0ca -7er2D 的大*是D 的两俗(a) D 模的相对强度与石ft 微晶尺寸La 的 相互关系-(b) 石》—阶和二阶拉*模的激发光能 *依義性.r IKIUV 7・(11) talMlMl I I M UMII Cur thv D UB O J W Ul tut tlliw tlftUvf will liWM©tMWg. (*> O«lcwlnt«-<l {full «qiBAXM> and v»cMiirv*1 (vp«ti •vmhc4«) frc>qiicntic» of th* t> n>o<1<» M0. U I AA' 4 jg Jj JvM,»1'3 Jk' r'*7；-'iT'~7KwMtMllKPuM b/fu/nnn epcHr 已gy <J / QfTupfuh■ 抄 粒l.MV l-MM> I5«K»lO<A)M fiUMitott u< uxjcii*!kM* vt*v«v<\\ Fiuiii Tl)o«u*vb Xr (Uah I2UUU). ilkv uwuujvu»vi«t* i«Jkvu from rf n/ (IO?KI). P6o«tk rf n l. (I W>H) And Mfhcf </. { VW>J小结療石4「532啊光学膜的拉曼峰强不依说曼实脸中激发光偵抿孚款字詮為谱睑垂亶和平行值摄配.下的蟹度不同’说明石■微晶的尺G*的频率比G 的两倍大・可能是纵向光学声子支的过度弯曲导致•一般来说・非拉曼活性舉动倍頻模的二阶拉《散射在石■中是允许的•爲群欝歸舉番雜盜蠶皺評于与石稣其他SP"*碳材碎石》烯是一种其禁带宽度几乎为寒的半金属/半导体材料 在2006 - 200M 年阖■石•烯已被制成弹道输运A 体伸bidlkw IransiMoDt 平面场效应管（FieW-EfTevI rransislorsh 并且吸引了大批科学家的兴ft■>石ft 烯的手性 Graphene 的结构及其拉曼光谱半金属性ZIGZAGrn V sK'AL Hr VIEWII T M H S石a 烯的拉曼光谱KMitiMit Sprrla-um IB T CU'MphriK' omi < ^ritpIx-iBr t.a'ufA.<7 IcfKirt?'* J <' Meyr 」V ' <? C AMi4<hi * M丿、<«"仇K. S N lum.』i4Mtl A. K-Ckuvi"*Ci4M^W|cr祕rvnnmuviwwr Z? A 冷*W *・ Ctvn/vAAv* CA> A 仏WMT %•从/ 5fM«r 敞 VMV ・Jk MWW^" <J*7wrw<- /idTJi A rr 究 /rf ；r /■*»* 〜4 7W/ ♦彳 I(a) Comparison of Raman spectra at 514 nm for bulk graphite and graphene. They are scaled to have similar height of the 2D peak at 2700 enrV(b) Evolution of the spectra at 514 nm with the number of layers. (c) Evolution of the Raman spectra at 633 nm with the number o( layers.(d) Comparison of the D band at 514 nm at the edge ol bulk graphite and single layer graphene. The fit of the D1 and D2 components ol the D band of bulk graphite is shown. fe) The four components of the 2D band in 2 layer graphene at 514 and 633 nm.mvMv Aar.*«.w Av^rrp Mm Ar4i*< A|/< WV Jm 2lHH»c p«Hi*«hod 34» tKiolwram me we严41*000no! \ 心序W«，3”K I \23 LZ J__ ■ 亠g ―R«nw Sign 、M» ano MM zzn me sm(d) D 峰的产生及峰位的不W (e) 2layer 2D 峰由四个组成Gniphrar 中 f 心无缺IB 存在7ZTDO 2*00^*>3e8wA JMiMfrmam2000B "声子支的分«<1.5cm'' 所以归因为电子能级的分裂电子《带的分 便bilayer 分裂为四个带FIG. X r>R f« the 2D peak in <«* single layer and 1b> hla’crAfTLKL> PHYSICS LETItRS ■、・ 16311｝小MM)Edge chirality determination of graphene by Raman spectroscopyYuMeng You, ZhenHua Na, Tina Yu. and ZeXlaog Shen**Abitri aW flbsfi, ScAorM 今 Hbwwrt/ 耐 MarArmuiirtf/ $d<wrx AAhowgt/iwrfTOjy, Siiguptyr 27S7t ・ (fUceived 21 July 2a»: iMxepiAXi 30 ScpKinbcr 2WJ8. pubiubed uohoe 22 (Xtuber 200»>SCBVSSS一％Bilayer graphene单层及双层graphene2D 峰的双共撮过程%a*r * A■ 1才(C) 3(r• 1 ZigjagFIG. b Color onhnvOpikal Inwge <W * l> pkul MCG S I KT I and the angles between cdgc»・b The statislkat rvsulls oT the anglemeasunments. rhe standard deviation Is 5-4* •c Illustration of the rclatlonship between angles and the chlruUtks of the adjwtnl rdges>...WJArmchaw • •：『：：：：： a*-f ：■:-：■ N->：■：-：■当两相邻迦》的夹角是30- • 90-时. 两边缘有不同的手性• 一个是armchair, 一个是zigzag.无序诱导的口峰的拉曼强度与边^* 手性有关， 在armchair edge 的边缘D 峰强度较强. 在zigzag边缘较弱.nC. J ICJur Rioua l ua hi tni “o di|iln W MT, (H flfr 〈rogX W. and (di <Mr TW wiugvi<inci«* 时 th* ◎ bod tmtwif ・kw ■ fnMww ml 2聘的 «<tW SLC sheet*. TV bur ■ adu -«*nJ 忖 ihr tvm imwv The w|«*-iinpM«J frMTViWi* b yuig X ibr 忙 mdx<hng Ar edfe <lutaJ<> K«e tkM the vbrabty <■< IMi*l) *<feJcieUMaed ” the obM — uf Ek toi< *wa| ■m W/W <« Oe iMC rvtr ■ 5L J C Dr wnk ta H I MO .小结（；2p hem;—般出现三个峰l ）X>«2l）；SLG 的2D 峰是尖悦的融峰，BLG 的2D 峰有四个组成，其他的都是两个组 成・可用来区分石星烯单层与多层・2D 峰起源于动量相反的两个声子參与的双共振拉S 过程.在所有sp2 碳材料中均有发现.石星烯根据边缘的不同・具有不同的手性.用fe*光谱.根据n-band 的拉曼强度可以识别graphene ed 跳的手性・对数百MCG 的研究表明，MCGiiat 夹角是30-的倍»・两相邻边缘的夹角是30- , 90。
拉曼光谱
24
拉曼光谱的应用
同种分子的非极性键S-S，C=C，N=N，C≡C产生强 拉曼谱带，随单键→双键→三键谱带强度增加。 红外光谱中，由C≡N，C=S，S-H伸缩振动产生的谱 带一般较弱或强度可变，而在拉曼光谱中则是强谱 带。
环状化合物的对称呼吸振动常常是最强的拉曼谱带。
25
拉曼光谱的应用
21
拉曼光谱仪使用注意事项
测量前要按照先开硬件再开软件的原则开机，以免 造成开机后的软件报错； 开机完成后，测量前需先进行单晶硅的测量，从而 对仪器进行矫正； 测量聚焦过程中要防止样品碰到物镜，以免造成物 镜损坏或污染； 测量完成后关机，关机顺序与开机相反，为先软件 后硬件的原则。同时务必保证激光器的关闭，以免 影响激光器寿命或发生火灾。
34
拉曼光谱在高分子中的应用
Liem等利用共焦显微拉曼光谱和极化拉曼光谱研究 了聚苯乙烯（PS）薄膜（50~180nm）的玻璃化转 变温度，研究表明当PS薄膜越薄，其玻璃化转变温 度越低，当厚度超过90nm时，其玻璃化转变温度与 本体聚合物相一致，这一测量结果与布里渊散射法 和椭圆偏光仪法一致.
32
拉曼光谱在高分子中的应用
研究聚合物链的构象结构； 研究聚合物的玻璃化转变和结晶； 研究聚合物的扩散界面； 研究聚合物共混体系的相态结构及其高分子多相体 系的相容性。 研究聚合物溶液的相转变。
33
拉曼光谱在高分子中的应用
高分子聚合物可以分为两大类———非晶聚合物和 结晶聚合物。对于非晶聚合物，玻璃化转变是一种 普遍现象，在高聚物发生玻璃化转变时，许多物理 性能发生急剧变化。如作为塑料使用的高聚物，当 温度升高至发生玻璃化转变温度以上时，便丧失了 塑料原有的坚固性，变成了橡胶；而作为橡胶使用 的材料，当温度降低至玻璃化转变温度以下时，便 失去橡胶的高弹性，变成硬而脆的塑料。
碳材料的拉曼光谱
❖ G*的频率比G的两倍大，可能是纵向光学声子支的过度弯曲导致。 ❖ 一般来说，非拉曼活性振动倍频模的二阶拉曼散射在石墨中是允许的。 ❖ 声子频率的激发光能量依赖性及其他效应都起源于与石墨和其他sp2键碳材料特
碳纳米管的拉曼光谱G-band
Graphite: G峰单一，尖锐 对应q==0, mode E2g
Nanotubes: 两个峰 G+ 和 G-. 起源于 graphite E2g Metallic semiconducting
G峰的振动模式及其性质
G+: no diameter dependence LO axial
11米mwnt的层间距约为034纳米直径在几个纳米到几十纳米长度一般在微米量级最长者可达数毫米碳纳米管中的碳原子以sp2杂化但是由于存在一定曲率所以其中也有一小部分碳属sp3杂化2000年香港科技大学的汤子康博士即宣布发现了世界上最细的纯碳纳米碳管04nm这一结果已达到碳纳米管的理论极限值
常见碳材料及其拉曼光谱
陈翠红 2008.12.02
常见的碳材料有:
三维的石墨，金刚石 二维的石墨烯，碳纳米带 一维的碳纳米管，碳纳米线 零维的富勒烯（C60）
建筑学家理查德·巴克明斯特·富勒 （Richard Buckminster Fuller） 设计的美国万国博览馆球形圆顶薄壳建筑。
石墨的拉曼光谱
❖ 自然界中并不存在宏观尺寸的石墨单晶，而是含有许许 多多任意取向的微小晶粒（100um）。
G- diameter dependence TO circumferential
Raman Shift (cm-1)
拉曼光谱
Raman 散射的产生：光电场 E 中，分子产生诱导
偶极距
= E
（ 分子极化率）
3.红外活性和拉曼活性振动
①红外活性振动 ⅰ永久偶极矩；极性基团； ⅱ瞬间偶极矩；非对称分子； 红外活性振动—伴有偶极矩变化的振动可以产生红外吸收谱带. ②拉曼活性振动
强度由分子偶极距决定 －OH, －C＝O，－C－X 异：拉曼 分子对激光的散射 拉曼： 适用于研究同原子的非极性键振动
强度由分子极化率决定 －N － N－, －C－C－
互补
O=C=O
对称伸缩
偶极距不变无红外活性
O=C=O
反对称伸缩
偶极距变有红外活性
极化率变有拉曼活性 极化率不变无拉曼活性
二、拉曼光谱的应用
激光拉曼光谱
一、 拉曼光谱基本原理
二、拉曼光谱的应用 三、 激光拉曼光谱仪
概述 拉曼光谱得名于印度物理学家拉 曼(Raman)。1928年， 拉曼首先从 实验观察到单色的入射光投射到物质 中后产生的散射，通过对散射光进行 谱分析，首先发现散射光除了含有与 入射光相同频率的光外，还包含有与 入射光频率不同的光。以后人们将这 种散射光与入射光频率不同的现象称 为拉曼散射。拉曼因此获得诺贝尔奖。
●另一种是分子处于激发态振动能级，与光子碰撞后，分子跃迁回基态而
●两种情况，散射光子的频率发生变化了，减小或增加了，称为拉曼位移。
Stokes线与反Stokes线
●将负拉曼位移， 即ν0－ν1称为Stokes线（斯托克斯线）。 ●将正拉曼位移， 即ν0＋ν1称为反Stokes线（反斯托克斯线）。 正负拉曼位移线的跃迁几率是相等 的，但由于反斯托克斯线起源于受激振 动能级，处于这种能级的粒子数很少， 因此反斯托克斯线的强度小，而斯托克 斯线强度较大，在拉曼光谱分析中主要 应用的谱线。
关于拉曼光谱你应该知道的实验与分析
关于拉曼光谱你应该知道的实验与分析什么是拉曼光谱？拉曼光谱是一种无损的分析技术，它是基于光和材料内化学键的相互作用而产生的。
拉曼光谱可以提供样品化学结构、相和形态、结晶度以及分子相互作用的详细信息。
拉曼是一种光散射技术。
激光光源的高强度入射光被分子散射时，大多数散射光与入射激光具有相同的波长（颜色），不能提供有用的信息，这种散射称为瑞利散射。
然而，还有极小一部分（大约1/109）散射光的波长（颜色）与入射光不同，其波长的改变由测试样品（所谓散射物质）的化学结构所决定，这部分散射光称为拉曼散射。
一张拉曼谱图通常由一定数量的拉曼峰构成，每个拉曼峰代表了相应的拉曼散射光的波长位置和强度。
每个谱峰对应于一种特定的分子键振动，其中既包括单一的化学键，例如C-C, C=C, N-O, C-H等，也包括由数个化学键组成的基团的振动，例如苯环的呼吸振动，多聚物长链的振动以及晶格振动等。
拉曼光谱能提供什么信息？拉曼光谱对于分子键合以及样品的结构非常敏感，因而每种分子或样品都会有其特有的光谱“指纹”。
这些“指纹”可以用来进行化学鉴别、形态与相、内压力/应力以及组成成份等方面的研究和分析。
拉曼光谱能够探测材料的化学结构，它提供的信息包括：∙化学结构和化学鉴别；∙相和形态；∙应力；∙污染物和杂质；一般而言，拉曼光谱是特定分子或材料独有的化学指纹，能够用于快速确认材料种类或者区分不同的材料。
在拉曼光谱数据库中包含着数千条光谱，通过快速搜索，找到与被分析物质相匹配的光谱数据，即可鉴别被分析物质。
如图所示分别是甲醇(methanol)和乙醇(ethanol)的拉曼光谱,二者有着显著的区别，可以用于区分这两种液体物质。
当与拉曼成像系统相结合时，可以基于样品的多条拉曼光谱来生成拉曼成像。
这些成像可以用于展示不同化学成分、相与形态以及结晶度的分布。
如图所示是一粒药片的拉曼光谱成像，由图中可以看出阿司匹林（红色）、咖啡因（绿色）和扑热息痛（蓝色）成分在药片中的分布情况。
炭材料的拉曼
炭素材料的拉曼光谱 (Raman spectrum of carbon materials)光通过介质后产生散射光；散射光的波数改变在10～4000cm-1范围内，这部分散射光所形成的光谱称为拉曼光谱。
l928年印度物理学家拉曼(C．V．Raman)首先用苯在实验上证实了这种散射的存在，因而得名。
前苏联物理学家兰茨贝格等在研究石英晶体的散射谱时也观察到这一现象。
20世纪60年代激光问世后，为拉曼技术提供了单色性、偏振性、方向性极好的强光源。
拉曼技术获得了迅速发展，成为材料科学研究中的重要手段之一。
在炭素材料的研究和鉴定中拉曼光谱的应用也日益广泛。
拉曼光谱的产生可用经典图像加以简单说明。
分子振动时各原子问的相对位置发生变化，其电极化率α可写成：(1)式中α0为原子在平衡位置时的电极化率，α1为电极化率随位置变化的部分，ν是原子简正振动频率。
在频率为v的外电场E的作用下，如外电场E的振动为：则分子感生的偶极矩P为：所以，感生偶极矩不但以外电场频率v振动产生弹性散射，而且频率振动产生非弹性散射，并在v的两侧对称分布。
这就是拉曼光谱。
同样，分子转动也可能产生频率改变的拉曼散射。
拉曼散射的频率与入射光频率之差叫拉曼位移，通常也称为拉曼光谱频率。
石墨具有六角碳网结构，网面内晶格振动具有拉曼活性。
这种振动称为E2g 型振动。
E2g型振动有两种E2g (1)和E2g(2).网面的相互振动，称为层面之间的剪切振动模式。
由于石墨网面之间的相互作用很弱，与这种振动相对应的拉曼谱频率很小，只为42cm-1。
E2g为石墨晶格网面内的伸缩振动，有时又称为高频面内振动模式。
这种振动较为强烈，在拉曼谱上对应的频率为l580cm。
结构良好的石墨晶体，在这一频率附近有一尖锐的特征峰，特称为G线或G 带，表征碳的sp2键结构。
结构完美的天然石墨的G线位于1575cm-1。
含有畸变结构的石墨微晶常常还有一条谱线在1350cm-1附近，称为D带。
拉曼光谱简介-以碳材料为例
Near-field Raman spectra for individual LLCC@DWCNT
1500 C atoms
2300 C atoms
Performed in Lukas. Novotny’ lab
Two individual LLCC@DWCNTs with different frequencies were assigned to LLCCs including 1500 and 2300 carbon atoms, respectively.
• 变温，变压（结构变化） • 磁场，电场…
Lapin et al. Faraday Discussions, 2015
17
共振拉曼光谱
共振拉曼光谱的作用： 1) 增强拉曼信号（同时可能有荧光产生）； 2) 判断材料能级（et al. PhysRevB.91.205446
Voigt
6
拉曼光谱的分辨率
Spectrometer精度 激光波长 光栅 CCD（大小和类型Si/InGaAs） 间接相关：拉曼系统的调试；激光能量的 大小；基底的反射；样品的发射和散射
7
拉曼光谱的校准
一般意义下的调零：使用校样或者仪器调零 绝对数值校准：使用各种固定波长的lamp 换不同波长的激光（spectrometer位置的变 化以及激光波长偏移） 激光能量 光栅变化产生的影响 长焦镜头和短焦镜头的影响 Slit的影响 光路的调节
Chacon-Torres et al. ACS Nano 7, 9249 (2013) 16
拉曼光谱的类型
• • • • • • • • • 共焦显微拉曼光谱 透射拉曼光谱 偏振拉曼光谱 共振拉曼光谱 傅里叶变化拉曼光谱 表面增强拉曼光谱（SERS） 针尖增强拉曼光谱（TERS） 受激拉曼增益光谱（双激光） 拉曼联用（SEM、AFM、STM）…
各类化合物的红外光谱特征
各类化合物的红外光谱特征有机化合物的数目非常大，但组成有机化合物的常见元素只有10种左右，组成有机化合物的结构单元即称为基团的原子组合数目约有几十种。
根据上述讨论，基团的振动频率主要取决于组成基团原子质量（即原子种类）和化学键力常数（即化学键的种类）。
一般来说，组成分子的各种基团如C-H、C-N 、C=C、C=O 、C-X等都有特定的红外吸收区域（特征吸收峰），根据特征吸收峰可以推断物质的结构。
所以，有必要对各类有机化合物的光谱特征加以总结。
一、烷烃1. νC-H 3000~2840 C-H伸缩振动频率2. δC-H 1460 和1380 C-H弯曲振动频率3.C-C 1250-800当化合物具有四个以上邻接的CH2基团时，几乎总是在（715-725，通常在720cm-1处）有谱带（CH2以内摇摆），它在鉴别上是有用的。
二、烯烃1. ν＝C-H 3010-31002.νC=C1680-16003. δC-H1000-700三、炔烃1. ν≡C-H 3300-3250 峰形较窄，易于OH和NH区别开。
2. δ≡C-H 900-610 宽的谱带3. ν C≡C2140-2100 一元取代炔烃RC≡CH|| 2260-2190 二元取代炔烃四、芳香烃1.νC-H 3080-30102.νC-C 1650-1450 2～4个吸收峰3. 面外弯曲振动(g=C-H ) 900-650五、醇和酚羟基化合物1. νO-H 3700-3500（游离的醇和酚，峰尖、强）|| 3500-3200（缔和的羟基，峰形强而宽）2. δO-H 1500~13003. νC-O 1250~1000六、醚1.脂肪醚1150-10602.芳香醚1270 ~ 1230（为Ar-O 伸缩）1050 ~ 1000 cm-1（为R-O 伸缩）3.乙烯醚：1225-12005、在环氧乙烷类中有三条特征谱带可作为这种基团的存在的标志：1280-1240 环的不对称伸缩振动|| 950-810cm-1 环的对称伸缩振动|| 840-750cm-1七、羰基化合物（包括醛、酮、羧酸、酯、酸酐和酰胺等）1.酮1725-17052.醛1740-1720 2820-2720出现两个强度相等的吸收峰3.羧酸（1）νO-H 3200-2500（液体及固体羧酸）|| 3550（在气相或极稀的非极性溶剂溶液中）（2）nC=O 1730-1700（2）νC-O 1250附近（强峰）（3）δO-H 1400cm-1和920cm-1区域有两个强而宽的吸收峰（4）羧酸盐1580cm-1 和1400cm-1 之间的两个谱带4.酯(1) νC=O1750-1735(2) νC-O-C 1330-10305.酸酐（1）n C=O 在1860-1800cm-1和1800-1750cm-1出现两个强的吸收峰(2) n C-O-C 开链的在1180-1045cm-1，而环状酸酐在1310-1200cm-16.酰胺: 兼有胺和羰基化合物的特点（1)νN-H稀溶液中伯酰胺出现两个中等强度的峰，分别在3500cm-1和3400cm-1附近，浓溶液和固体中由于有氢键发生，将移向3350-3180cm-1低频区仲酰胺在很稀溶液中，在3460-3420cm-1处只出现一个谱带，浓溶液中或固体中缔和体出现在3330cm-1(3)δN-H弯曲振动(酰胺II带）伯酰胺游离态在1600cm-1处，缔合态在1650-1620处,仲酰胺游离态在1550-1510处；缔和体在1570-1515处（4）酰胺还有C-N吸收带（酰胺III带），它们的吸收位置如下：伯酰胺1420-1400cm-1（中）；仲酰胺1305-1200cm-1（中）叔酰胺700-620cm-1（中）八、胺和胺盐1.胺：胺有三个特征吸收带即：nNH、δ N-H和nC-N吸收带（1）nNH 3550-3250（2）δ N-H 1650-15402.铵盐伯胺和仲胺的νNH νNH3+ 伯胺盐在3000-2800cm-1之间出现强和宽的吸收带伯胺盐的δNH3+出现在1600-1575cm-1和1550-1504cm-1处两个吸收带仲胺盐的νNH2+ 出现在2700-2250cm-1 区域；δ NH2+ 出现在1620-1560cm-1区域叔胺盐的νNH+ 在2700-2250cm-1 区域出现一个强的宽带或一组较尖的谱带。
碳材料的拉曼光谱
无序诱导的D band的产生---双共振拉曼散射 无序诱导的D-band的产生---双共振拉曼散射 的产生---
D,2D-Band-Double Resonance
D-Band G-Band
K
≈ 1580cm −1
1. 2. 3. 4.
e excitation e-phonon scattering defect scattering E-hole recombination
Graphene的结构及其拉曼光谱 的结构及其拉曼光谱
石墨烯的手性 半金属性
石墨烯是一种其禁带宽度几乎为零的半金属/ 石墨烯是一种其禁带宽度几乎为零的半金属/半导体材料 在2006 – 2008年间 石墨烯已被制成弹道输运晶体管(ballistic transistor)， 年间, 石墨烯已被制成弹道输运晶体管 ， 年间 平面场效应管(Field-Effect Transistors)，并且吸引了大批科学家的兴趣 平面场效应管 ，
（d）D峰的产生及峰位的不同 ） 峰的产生及峰位的不同 （e）2layer 2D峰由四个组成 ） 峰由四个组成
(d) Comparison of the D band at 514 nm at the edge of bulk graphite and single layer graphene. The fit of the D1 and D2 components of the D band of bulk graphite is shown. (e) The four components of the 2D band in 2 layer graphene at 514 and 633 nm.
商用石墨 1355cm1355cm-1峰的出现归结于微晶尺寸效应使得没 有拉曼活性的某些声子在选择定则改变后变得 有了拉曼活性。 有了拉曼活性。 发现D模对于拉曼活性G 发现D模对于拉曼活性G模的相对强度与样品中 石墨微晶尺寸的大小相关。 石墨微晶尺寸的大小相关。
拉曼光谱横坐标和纵坐标
拉曼光谱横坐标和纵坐标拉曼光谱是一种非常重要的分析技术，它可以通过测量样品与激发光交互作用后发生的光散射来获得有关样品分子的信息。
该技术常用于材料科学、化学、生物学和医学等领域中。
本文将详细介绍拉曼光谱的横坐标和纵坐标部分。
拉曼光谱横坐标通常表示的是样品与激光光源的相对频率差值，也称为拉曼位移或频移。
这个概念源于拉曼散射的原理，即样品分子与激发光发生相互作用后，其中一部分光子的能量被转移到样品分子的振动和旋转状态上，而这些振动和旋转状态的频率与样品分子内部键的振动和旋转频率有关。
在拉曼散射谱中，可以观察到与样品分子内部振动和旋转相关的特征频率。
对于一般的分子或化合物，它们的拉曼散射谱通常包含多个频移峰，每个峰对应一种分子内部振动或旋转状态。
常见的拉曼峰包括：1. 弯曲振动：通常出现在500-850 cm^-1的频率范围内，用于表征化合物中的烷基、芳香基、羧酸基等分子内部的弯曲振动状态。
对于特定的化合物或分子，它们的拉曼峰的频移值是具有一定特征的。
C-C单键的拉曼峰出现在约1400 cm^-1的位置，而C=C双键的拉曼峰通常出现在约1600 cm^-1的位置。
通过观察样品拉曼散射谱中的频移峰位置和数目，可以确定样品的化学成分和结构信息。
拉曼光谱纵坐标通常表示的是样品散射光的强度或信号强度，也称为拉曼强度。
拉曼强度是指拉曼散射光与激发光之间的相对强度。
和横坐标一样，拉曼强度也是与样品分子内部振动和旋转状态有关的。
在拉曼散射谱中，每个频移峰的强度大小取决于样品分子内部的振动和旋转状态的强度以及样品中各种键的偶极矩和极化率等因素。
在样品分子内部存在不同的振动和旋转状态时，对应的拉曼峰的强度也会出现不同程度的变化。
值得注意的是，虽然拉曼散射谱中强度的高低可以体现出样品分子内部振动和旋转状态的差异，但它并不能直接反映出样品中分子的存在量。
在进行拉曼光谱分析时，通常还需要将拉曼强度与其它分析方法相结合，以进一步了解样品中不同分子或化合物的相对含量和分布情况。
测碳材料拉曼激光波长
测碳材料拉曼激光波长拉曼光谱是一种非常重要的分析方法，尤其在研究碳材料方面起到了关键作用。
在碳材料研究中，拉曼光谱可以用来确定材料的晶体结构、官能团和晶格动力学性质，同时也可以探索该材料的光学、电子以及声子性质。
本文将结合生动的案例，全面地介绍测量碳材料拉曼激光波长的方法，并为研究者提供一些建议。
首先，测量拉曼激光波长的方法有很多，其中最常见的方法是使用激光拉曼光谱仪。
这种仪器通常包含一个激光器、一个样品台和一个光谱仪。
实验过程中，我们首先将碳材料样品放置在样品台上，并调整激光器的波长和功率，使其适合于我们的实验需求。
然后，我们通过调整样品的位置和角度，使激光束正好照射到样品的表面。
接下来，我们使用光谱仪收集样品所产生的散射光谱，并将其与基准光谱进行对比。
通过分析样品的拉曼光谱，我们就能得到所需的拉曼激光波长信息。
在实际测量中，研究者应遵循以下几点建议。
首先，要保证实验环境的稳定性。
拉曼光谱受到外界干扰的影响较大，如温度、湿度和振动等。
因此，选择一个稳定的实验室环境十分重要，可以减少干扰，提高测量精度。
其次，我们应该选择适当的激光器波长。
不同的碳材料可能对不同波长的激光有不同的响应，因此应灵活选择最适合的激光波长，以增强拉曼信号。
此外，合理选择激光功率也十分重要，过高的功率可能导致样品的烧毁或光谱的失真。
最后，我们应合理选择样品的制备方法。
不同的样品制备方法可能会导致样品的结构和形态发生改变，从而影响拉曼光谱的测量结果。
因此，在进行实验前应对样品进行充分的特性分析，并确保样品的制备方法符合实验要求。
总体而言，测量碳材料拉曼激光波长是一项重要而复杂的工作。
通过选择合适的实验设备和方法，并遵循实验建议，我们可以获得准确的拉曼激光波长信息。
这对于研究碳材料的结构和性质，以及应用于各种领域的开发具有指导意义。
希望本文所介绍的方法和建议能够对相关研究者提供实用的帮助，推动碳材料领域的进一步发展和应用。
拉曼光谱基本原理
Raman散射的两种跃迁能 E2 + h0
量差：
E=h(0 - )
h(0 - )
产 生 stokes 线 ； 强 ； 基 态
分子多；
E1 V=1
E=h(0 + )
产生反stokes线；弱；
E0 V=0
Raman位移： Raman 散 射 光 与 入 射 光 频
STOKES
率差；
0 -
h0 h(0 + ) h
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傅立叶变换-拉曼光谱仪
FT-Raman spectroscopy 光源：Nd-YAG钇铝石榴石激光器（1.064m）； 检测器：高灵敏度的铟镓砷探头；
特点：
（1）避免了荧光干扰；
（2）精度高；
（3）消除了瑞利谱线； （4）测量速度快。
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• 5.6 拉曼光谱 • 1928年，印度物理学家C. V. Raman发现光通过透明溶液时，有一部分
红外光谱：基团； 拉曼光谱：分子骨架测定；
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红外与拉曼谱图对比
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5.选律
1 S C S
振动自由度：3N- 4 = 4
拉曼活性
2 S C S
红外活性
3 S C S
4
红外活性
红外光谱—源于偶极矩变化
拉曼光谱—源于极化率变化
对称中心分子CO2，CS2等，选律不相容。 无对称中心分子（例如SO2等），三种振动既是红外活性振动，又
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• 5.6.2 拉曼及瑞利散射机理 • 瑞利和拉曼散射的产生
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• 测定拉曼散射光谱时，一般选择激发光的能量大于振动能级的能量但低 于电子能级间的能量差，且远离分析物的紫外-可见吸收峰。当激发光与 样品分子作用时，样品分子即被激发至能量较高的虚态(图中用虚线表示)。 左边的一组线代表分子与光作用后的能量变化，粗线出现的几率大，细 线表示出现的几率小，因为室温下大多数分子处于基态的最低振动能级。
炭材料的拉曼
炭素材料的拉曼光谱 (Raman spectrum of carbon materials)光通过介质后产生散射光；散射光的波数改变在10～4000cm-1范围内，这部分散射光所形成的光谱称为拉曼光谱。
l928年印度物理学家拉曼(C．V．Raman)首先用苯在实验上证实了这种散射的存在，因而得名。
前苏联物理学家兰茨贝格等在研究石英晶体的散射谱时也观察到这一现象。
20世纪60年代激光问世后，为拉曼技术提供了单色性、偏振性、方向性极好的强光源。
拉曼技术获得了迅速发展，成为材料科学研究中的重要手段之一。
在炭素材料的研究和鉴定中拉曼光谱的应用也日益广泛。
拉曼光谱的产生可用经典图像加以简单说明。
分子振动时各原子问的相对位置发生变化，其电极化率α可写成：(1)式中α0为原子在平衡位置时的电极化率，α1为电极化率随位置变化的部分，ν是原子简正振动频率。
在频率为v的外电场E的作用下，如外电场E的振动为：则分子感生的偶极矩P为：所以，感生偶极矩不但以外电场频率v振动产生弹性散射，而且频率振动产生非弹性散射，并在v的两侧对称分布。
这就是拉曼光谱。
同样，分子转动也可能产生频率改变的拉曼散射。
拉曼散射的频率与入射光频率之差叫拉曼位移，通常也称为拉曼光谱频率。
石墨具有六角碳网结构，网面内晶格振动具有拉曼活性。
这种振动称为E2g 型振动。
E2g型振动有两种E2g (1)和E2g(2).网面的相互振动，称为层面之间的剪切振动模式。
由于石墨网面之间的相互作用很弱，与这种振动相对应的拉曼谱频率很小，只为42cm-1。
E2g为石墨晶格网面内的伸缩振动，有时又称为高频面内振动模式。
这种振动较为强烈，在拉曼谱上对应的频率为l580cm。
结构良好的石墨晶体，在这一频率附近有一尖锐的特征峰，特称为G线或G 带，表征碳的sp2键结构。
结构完美的天然石墨的G线位于1575cm-1。
含有畸变结构的石墨微晶常常还有一条谱线在1350cm-1附近，称为D带。
c-cl键 拉曼光谱
c-cl键拉曼光谱C-CL键拉曼光谱是一种研究分子振动特征的非常有效的技术。
光谱学是一门使用光子能量来研究物质性质的学科，而拉曼光谱是其中的一种技术方法。
它通过测量在光谱图中的散射光的频移，来研究分子的振动和旋转。
C-CL键拉曼光谱常用于研究含有碳氯化合物的化合物，其中C代表碳，Cl代表氯。
因为碳氯键是一种非常常见的化学键，存在于许多有机分子中，因此研究这种化学键的振动特征对于有机化学和材料科学研究至关重要。
C-CL键拉曼光谱可以通过将样品暴露在一定的激光束下来测量。
当激光通过样品时，其中一部分光会被散射，并且会由于与分子产生相互作用而发生频移。
通过测量散射光的频移，我们可以得到有关分子振动的信息。
在C-CL键拉曼光谱中，我们观察到了两种主要的振动模式：伸缩振动和扭曲振动。
伸缩振动是分子中键的伸缩和收缩，而扭曲振动是分子中的化学键在平面内旋转的振动。
通过分析这些振动模式的频率和强度，我们可以了解到分子的结构和性质。
C-CL键拉曼光谱可以用于研究各种不同类型的分子，包括有机分子、生物分子以及无机分子。
对于有机分子，这种光谱技术能够提供关于分子中键的强度以及键长的信息。
这对于确定有机分子的结构非常重要。
对于生物分子，C-CL键拉曼光谱可以用于研究氨基酸和蛋白质等生物大分子的结构和功能。
这有助于我们更好地了解生物分子在生物过程中的作用和功能。
此外，C-CL键拉曼光谱还用于研究无机分子和材料科学。
无机分子中的C-CL键拉曼光谱可以提供关于晶格振动和电荷转移的信息，这对于研究无机材料的结构和性质至关重要。
总之，C-CL键拉曼光谱是一种非常有用的技术，用于研究分子振动特征和结构。
它帮助我们更好地理解有机分子、生物分子和无机分子的结构和功能，在化学、生物和材料科学的研究中发挥着重要作用。
丁二酮的拉曼振动光谱
丁二酮是一种常见的有机化合物，它的分子式为C4H6O2。
丁二酮在固态下具有双分子间氢键，其振动光谱较为复杂，因此在分析其拉曼光谱时需要考虑其分子间的相互作用。
对于丁二酮的拉曼光谱分析，主要涉及以下几种振动模式：
1. 碳碳单键伸缩振动：该振动模式的拉曼峰位于约1100cm-1左右。
2. 碳氧单键伸缩振动：该振动模式的拉曼峰位于约1700cm-1左右。
3. 碳碳双键伸缩振动：该振动模式的拉曼峰位于约1600cm-1左右。
4. 氢键的弯曲振动：该振动模式的拉曼峰位于约1400cm-1左右。
5. 环状结构的弯曲振动：该振动模式的拉曼峰位于约1300cm-1左右。
需要注意的是，由于丁二酮分子间的相互作用较强，其拉曼光谱可能会受到一定的影响，因此在分析其拉曼光谱时需要注意这些因素。
同时，为了获得更准确的拉曼光谱数据，建议在实际操作中采用高分辨率的拉曼光谱仪进行测量。
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碳碳单键和碳碳双键的拉曼光谱
拉曼光谱在石墨烯的层数表征方面具有独特的优势，完美的单洛伦兹峰型的二阶拉曼峰（G'峰）是判定单层石墨烯简单而有效的方法，而多层石墨烯由于电子能带结构发生裂分使其G'峰可以拟合为多个洛伦兹峰的叠加，G'峰与石墨烯的电子能带结构密切相关，因此石墨烯的电子结构可以用共振拉曼散射来测定。
石墨烯电场效应下的拉曼光谱研究表明电子空穴掺杂会影响石
墨烯的电子-声子耦合，从而引起拉曼位移，因此，拉曼光谱是测定石墨烯的掺杂类型和掺杂浓度的有效手段。
如何判断石墨烯的质量？
如何判断石墨烯的质量是一个关键的问题，D峰为涉及一个缺陷散射的双共振拉曼过程，因此石墨烯的缺陷会反映在其拉曼D峰上，通过对石墨烯拉曼D峰的检测可以定量地对其缺陷密度进行研究。
由于石墨烯的带隙为零，通过化学修饰在sp2碳上引入sp3碳缺陷是人们打开石墨烯带隙的重要方法之一，因而D峰也是衡量其化学修饰程度的一个重要的指标。
另外，石墨烯的层间堆垛方式、所处的环境温度、应力作用以及基底效应也会反映在其拉曼光谱特征峰的变化上。