拉曼光譜（Raman Spectroscopy）是一種基于拉曼散射原理的光譜分析技術(shù)?拉曼散射是光子與物質(zhì)分子發(fā)生非彈性散射的過程?光子與分子相互作用后?散射光子的能量發(fā)生變化?這種能量的變化反映了分子振動(dòng)?旋轉(zhuǎn)等內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的信息?

拉曼光譜的基本原理是拉曼效應(yīng)（Raman Effect）?這一效應(yīng)由印度物理學(xué)家C.V.拉曼于1928年發(fā)現(xiàn)并以其名字命名?當(dāng)入射光子（通常為單色光，如激光）照射到樣品時(shí)?大部分光子會(huì)發(fā)生彈性散射（瑞利散射）?其頻率與入射光相同?但少部分光子與樣品分子的振動(dòng)或旋轉(zhuǎn)能級(jí)相互作用?導(dǎo)致散射光子的能量發(fā)生變化?產(chǎn)生頻率不同于入射光的散射光?這種現(xiàn)象即為拉曼散射?[1]

拉曼光譜通過測(cè)量這些頻率的變化（即拉曼位移）?可以得到樣品的分子振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)信息?從而對(duì)分子的結(jié)構(gòu)和成分進(jìn)行分析?

拉曼光譜在科學(xué)研究和工業(yè)應(yīng)用中具有重要作用?主要包括以下幾個(gè)方面￤

1. 分子識(shí)別和結(jié)構(gòu)分析￤拉曼光譜可以提供關(guān)于分子振動(dòng)模式的信息?這對(duì)于識(shí)別分子和確定其化學(xué)結(jié)構(gòu)非常有用。每種分子都有其特定的拉曼光譜?可以視作分子的“指紋”?

2. 材料科學(xué)研究￤拉曼光譜用于研究材料的晶體結(jié)構(gòu)?缺陷?應(yīng)力/應(yīng)變狀態(tài)等。例如?石墨烯和碳納米管的拉曼光譜可以揭示其層數(shù)?質(zhì)量和導(dǎo)電性?

3. 化學(xué)反應(yīng)監(jiān)測(cè)￤通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)化學(xué)反應(yīng)過程中分子結(jié)構(gòu)的變化?拉曼光譜可以用于研究反應(yīng)機(jī)理?反應(yīng)速率和反應(yīng)路徑?

4. 生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用￤拉曼光譜能夠無損檢測(cè)生物組織和細(xì)胞?應(yīng)用于疾病診斷?藥物研究和生物標(biāo)志物的檢測(cè)?例如?用于癌癥細(xì)胞的檢測(cè)和分類?

5. 環(huán)境監(jiān)測(cè)￤拉曼光譜可以檢測(cè)和分析環(huán)境中的污染物?如水中的重金屬離子?空氣中的有害氣體等?

6. 工業(yè)過程控制￤在制藥?石化等行業(yè)中?拉曼光譜用于在線監(jiān)測(cè)和控制生產(chǎn)過程中的化學(xué)成分?確保產(chǎn)品質(zhì)量?

在低溫/變溫條件下進(jìn)行拉曼光譜測(cè)試的好處有：提高光譜分辨率?在低溫環(huán)境下?分子的熱運(yùn)動(dòng)顯著減少?從而使拉曼散射光譜中的譜線變得更窄?更清晰；減少熒光干擾?低溫能夠抑制熒光過程?顯著降低熒光背景?從而提高拉曼信號(hào)的可見性和檢測(cè)靈敏度；增強(qiáng)信噪比?低溫環(huán)境能夠降低熱噪聲?提升信噪比；研究量子效應(yīng)?低溫環(huán)境下?量子效應(yīng)變得更加顯著?特別是在固態(tài)物理和納米材料研究中?低溫拉曼光譜能夠揭示量子點(diǎn)?納米管等材料中的量子效應(yīng)和聲子行為?提供關(guān)于其電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)的重要信息……

所以?拉曼光譜在化學(xué)與材料科學(xué)?生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)?環(huán)境科學(xué)?食品科學(xué)?藝術(shù)與考古以及工業(yè)應(yīng)用等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用?包括納米材料?高分子材料?半導(dǎo)體?疾病診斷?藥物研究?水質(zhì)分析?大氣監(jiān)測(cè)?土壤分析?質(zhì)量控制?食品安全等。工業(yè)應(yīng)用包括過程監(jiān)控和產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)?

以二維材料的低溫拉曼光譜測(cè)試為例?隨著納米科技的飛速發(fā)展?二維材料因其獨(dú)特的物理性質(zhì)和廣泛的應(yīng)用前景?已成為材料科學(xué)研究的熱點(diǎn)?其中?二維過渡金屬二硫族化合物（TMDs）如MoS2?以其優(yōu)異的電學(xué)?光學(xué)和熱學(xué)性能?在納米電子器件領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛力?Pengfei Shen等人[2]通過水熱法成功合成介紹的MoS2/還原氧化石墨烯（RGO）異質(zhì)結(jié)構(gòu)?具有緊密的二維異質(zhì)界面?這種結(jié)構(gòu)不僅保留了MoS2和RGO各自的優(yōu)異性能?還通過界面效應(yīng)產(chǎn)生了新的物理特性。這種異質(zhì)結(jié)構(gòu)為納米電子器件的發(fā)展提供了新的可能?然而?為了充分理解并優(yōu)化這些材料的性能?我們需要深入理解其在不同溫度和激光功率下的行為?為此?拉曼光譜與低溫設(shè)備HCS的聯(lián)用方案為我們提供了強(qiáng)大的工具?具體方案如圖1所示?

圖1 HCS與拉曼光譜聯(lián)用測(cè)試系統(tǒng)

如圖2所示?顯示了78K和543K下單層MoS2和MoS2/RGO混合物的拉曼光譜?在不同溫度下記錄了MoS2/RGO混合物和單層MoS2納米片的振動(dòng)峰值?隨著溫度的升高?E12g和A1g振動(dòng)峰位的紅移呈現(xiàn)出線性依賴性?在低溫下?峰位的變化表現(xiàn)出偏離線性溫度依賴性的趨勢(shì)?本文使用以下方程對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合?并提取了兩個(gè)樣本的E12g和A1g模式溫度系數(shù)?這些系數(shù)可用于進(jìn)一步研究材料在不同溫度下的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)?

圖2 78K和543K下單層MoS2和MoS2/RGO混合物的拉曼光譜

為實(shí)現(xiàn)低溫/變溫場(chǎng)景的測(cè)試?通過冷熱臺(tái)（HCS-1L）和拉曼光譜儀的光路匹配設(shè)計(jì)?保持原有光學(xué)測(cè)試的完整性?匹配原有的樣品運(yùn)動(dòng)平臺(tái)?又實(shí)現(xiàn)樣品在78-800K的可控范圍內(nèi)?武漢光谷薄膜技術(shù)可提供全套解決方案!

冷熱臺(tái)（HCS-1L）是能夠提供很好的溫度梯度和高穩(wěn)定性的溫度場(chǎng)?具有78--800K的寬溫度范圍?0.1K的高精度控溫等特性?并可以為客戶設(shè)計(jì)定制化樣品臺(tái)?匹配客戶檢測(cè)設(shè)備?可實(shí)現(xiàn)在低溫下或變溫下電學(xué)?磁學(xué)?電磁學(xué)?光學(xué)?光電學(xué)?熱力學(xué)?力學(xué)?聲學(xué)等性能測(cè)試。

[1] Yin P, Lin Q, Duan Y. Applications of Raman spectroscopy in two-dimensional materials[J]. Journal of Innovative Optical Health Sciences, 2020, 13(05): 2030010.

[2] Shen P, Yang X, Du M, et al. Temperature and laser-power dependent Raman spectra of MoS2/RGO hybrid and few-layered MoS2[J]. Physica B: Condensed Matter, 2021, 604: 412693.