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1、拉曼光谱学 原理及应用,HORIBA Jobin Yvon 北京办事处,报告内容1-什么是拉曼光谱 ? 简单介绍 2-拉曼光谱仪工作原理介绍3-拉曼光谱在材料研究中的应用介绍4-HORIBA Jobin Yvon拉曼光谱仪简介,1928 年，印度科学家C.V Raman in首先在CCL4光谱中发现了当光与分子相互作用后，一部分光的波长会发生改变（颜色发生变化），通过对于这些颜色发生变化的散射光的研究，可以得到分子结构的信息，因此这种效应命名为Raman效应。,时间 和发现人?,Provided by Prof. D. Mukherjee, Director of Indian Associa
2、tion for the Cultivation of Science,什么是拉曼效应?,laser,scatter laser,瑞利散射,什么是拉曼效应?,scatter= laser,拉曼散射,光散射的过程：激光入射到样品，产生散射光。散射光 弹性散射（频率不发生改变-瑞利散射） 非弹性散射（频率发生改变-拉曼散射）,什么是拉曼效应?,不同材料的拉曼光谱有各自的不同于其它材料的特征的光谱-特征谱为表征和鉴别材料提供了指纹谱深入开展光谱学和材料物性研究打下基础,拉曼光谱给出的信息？,组分信息结构信息,拉曼光谱给出的信息？,羰基伸缩线宽=结晶度,碳环伸缩模式,乙二醇模式:结构的指示剂,Bg,B
3、g,PET的拉曼光谱官能团,拉曼是指纹光谱,ni = no-n (cm-1),500 1000 1500 2000 2500 3000 3500,20000150001000050000,Intensity (A.U.),OH stretching,CH3 Stretching Modes,Skeletal Bending,CCO modes,OH Bending,CH3 and CH2 Bending Modes,甲醇vs. 乙醇 CH3OH vs. CH3CH2OH,拉曼光谱给出的信息？,化学组成，污染物探测. 振动频率可以给出结构的细微变化，对于分子所处的局域环境，比如晶相，局域应力和结
4、晶度等 都很敏感 结构信息（晶体、无定形、同分异构体),定性的信息 : 拉曼光谱是物质结构的指纹光谱定量的信息:可以通过光谱校正,得到准确的应力大小和浓度分布,拉曼光谱给出的信息？,拉曼光谱的特征,拉曼频移,峰位与激发波长没有关系,多激发波长：选择适合的激发波长,一般情况，拉曼光谱是不随激发波长的变化而变化的然而 IRaman 1/4 UV or NIR激发可以避开荧光的干扰不同 excitation可以分析样品不同层的信息,2-拉曼光谱仪的工作原理,拉曼光谱测量原理：,激光,样品,滤光装置,光栅,探测器,几个拉曼实验中的重要因素,1-灵敏度2-光谱分辨率3-空间分辨率,影响：准确性、取谱速度
5、、空间分辨效果,不得不说的话,任何一次拉曼光谱实验中都会遇到的问题,SiC的拉曼光谱图,光谱分辨率,吉林大学样品,红色：分辨率(2cm-1)模式兰色：高分辨率(0.65 cm-1)模式,光谱分辨率,010 8567 9966 219,空间分辨率(共焦技术),共焦技术可以实现:得到更好的横向分辨率 (1m)极大的提高了纵向分辨率 (2 m) 有效地减少荧光干扰,微米和亚微米颗粒 可以研究材料中的包裹体 XY 和 Z 成像 : 相分布和结构分布,多层膜样品分析,共焦针孔,非聚焦,应用中可以解决：,微区 空间分辨率？,好的共焦状态 清晰的界面结果！,空间分辨率(共焦技术),寻找好的共焦技术？,高分子
6、多层膜,高分子多层膜,空间分辨率(共焦技术),共焦状态不好 界面？,3-拉曼光谱在材料研究中的应用介绍,1：半导体材料; 2：聚合体；3：碳材料； 4：地质学/矿物学/宝石鉴定；5：生命科学; 6：医药；7：化学；8：环境；9：物理10：考古；11：薄膜; 12: 法庭科学:违禁药品检查；区分各种颜料，色素，油漆，纤维等；爆炸物的研究；墨迹研究；子弹残留物和地质碎片研究,拉曼光谱应用领域：,1-聚合物,高分子,Only one point of the sample is illuminated by the laser and the corresponding spectrum is re
7、corded - takes full advantage of confocal filtering,Detector,Spectral image,Point by point illumination : Sample rastering in x and y,拉曼光谱成像方法,Sample on XY motorised stage,Grating,Imaging Accessories,Video Image of Polymer matrix - Blue box indicates mapped area,Raman Mapping uses the confocal Raman
8、 microscope to analyze discrete points across a sample surface.,高分子聚合物,Single spectrumComponent 1,Single spectrumComponent 2,The Raman map consists of the superimposed spectra of the both components.The cursors than can be used to generate Raman mapped imagesBecause of confocality the Raman map can
9、show very exactly the localization of comp. 1 and 2(spatial resolution at ex = 633 nm 0.8 m lateral and 1.2 m axial),高分子聚合物,Confocal Raman mapped image generated from two different spectral bands observed in the polymer matrix. The software is used to overlay the two component maps, green and blue.,
10、White light Image,高分子聚合物,2-纳米材料,碳纳米管研究,不同管径的碳纳米管与不同激发波长共振,因此可以通过不同激发波长研究不同手性和管径的碳纳米管,Density of electron states,Energy,v2,v1,c1,c2,543210-1-2-3-4-5,0 2 4 6 8 10,Conduction,Valence,玻尔半径,e-,+,dt Radius,Tuneable Bandgap,CNT的拉曼光谱和荧光光谱共点测量,数据来自 Prof. Honda, Tokyo University of Science,PL 光谱和拉曼光谱对于CNT的管径和
11、手性都非常敏感,Raman,PL,由于SWCNTs的发光范围集中在1.0 to 1.6 um, 所以有很大的应用前景.,(Arrows mean CNT band),LabRAM 系列可以共点测量 Raman 光谱和 PL光谱,794nm914nm CCD detector,1100nm1550nm InGaAs detector,激发光 : 785nm,Si片表面单根碳纳米管分布,SWNT spectra,262.9-270.6 cm-1,165.6-169.5 cm-1,157.8-161.7 cm-1,RB mode,G band,SWCNTs of different dt are i
12、solated on a Si waferSingle SWCNT islands,单根 GaN 纳米线的偏振拉曼光谱成像,509-552cm-1A1(TO),558-575cm-1E2(high),509-552cm-1A1(TO),558-575cm-1E2(high),Jobin-Yvon LabRAM HR800 + inverted microscope, x100, 0.9 NA,Franois Lagugn-Labarthet et al. UniVersit Bordeaux, France,3-医药学-药物成分分布,这个光谱成像显示了药片中3种成分的分布: 淀粉 ; 纤维素
13、; MgStearate(药物成分).,左图：包裹体白光像点1（绿点）：气相 对应光谱中的蓝色线点2（红点）：液相 对应光谱中的红色线,4-矿物包裹体中的气泡研究,沟槽宽度350 nm，间距250 nm.白光像,Video image : one spectrum has been recorded each 10 nm.Sample courtesy of ATMEL Rousset/ Universite Paul CEZANNE,有图形的Si片表面应力研究,5-应力研究,应力研究(形变),压应力:键长减小,峰位向高波数方向移动张应力:键长变长,峰位向低波数方向移动,测厚度无损方法？特殊应
14、用中独辟傒径！,清华大学微电子系的MEMS器件,选择不同激发波长-应力研究,In strain measurement for sSi and SiGe, the laser used will mostly depend on the penetration depth. UV is usually a method of choice due to its little penetration in Silicon and Germanium,6-拉曼光谱在欧莱雅产品研发中的应用,表面增强拉曼(SERS)简介,什么是表面增强? SERS 效应是在激发区域内,由于样品表面或近表面的电磁场的增
15、强导致的拉曼散射信号极大的增强.怎么得到表面增强? -远小于激发波长的金属颗粒(Au, Ag)会使电磁场增强 -增强的电磁场可以使在金属颗粒表面的分子拉曼信号极大的增强 -激光激发了金属表面的等离子体,IRaman P P (电子偶极子) = (分子极化率) . (内电场),活细胞内药物与细胞的相互作用,HORIBA Jobin Yvon拉曼光谱仪介绍,T64000 高性能三级拉曼光谱仪,研究级,U1000 型高性能双级拉曼光谱仪,研究级,LabRAM HR (高分辨单级拉曼光谱仪),分析级（准研究级）,LabRAM ARAMIS(全自动),分析级,Real World Installatio
16、n of Raman Process Control,Spectra recorded about every 20 min showing the progress of the polymerization,Real Time Monitoring of Polymerization,Raman Immersion Probe,IR probe,Real World Installation of Raman Process Control,拉曼光谱仪联用,红外吸收和拉曼共点测量,AFM和拉曼光谱仪联用,SEM和拉曼光谱仪联用,TCSPC系统和拉曼光谱仪耦合,单量子点半导体生物医学,Thank you for your attention!,
