低维纳米材料的拉曼光谱研究.pptx

低维纳米材料的拉曼光谱研究学院：材料科学与工程班级：材硕71班姓名：韩婷学号要内容低维纳米材料及拉曼光谱概念基础--固体拉曼光谱理论低维纳米材料光谱理论理论研究--微晶模型结论1.概念把一个，两个或三个维度达到或小于特征长度的体系，分别相应称为二维，一维，或零维等低维体系，这时材料出现了与量子力学波函数相位相关的现象。纳米材料一般指尺寸在1~100nm的小尺寸材料，是纯几何尺度定义。定义低维体系的特征长度所对应的尺寸一般在nm量级，于是出现了“低维纳米材料”一词1.概念简单的说， 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, 统称为拉曼效应拉曼光谱学拉曼光谱的信息通过拉曼检测发现与块体材料相比，低维纳米晶出现峰位的红移和非对称的展宽（强度下降到最大值一半时所对应的波长范围），而且尺寸越小，红移越大，谱线宽度越大如块体硅在520cm-1出现锐利的拉曼峰，而低维纳米硅的纳米峰位红移，并伴随不对称的展宽2.固体拉曼散射理论光与固体的相互作用主要发生在光和固体的所谓“元激发”之间固体的拉曼散射，最重要的元激发是“晶格振动”在可见光散射过程中，光与声子的能量约差3个数量级，不能直接耦合，而是通过电子-声子相互作用这个“中介”进行2.固体拉曼散射理论电子-声子相互作用1）电子-声学声子相互作用：声学声子体现的是固体中原子的整体运动，原子的整体位移导致晶体发生形变及其能带电子能量的改变2）压电电子-声学声子相互作用：非中心对称晶体中，应变力诱导出宏观电极化场3）电子-光学声子形变势相互作用：光学声子体现的是固体中原子的相对运动，看做在原胞内引起“微观形变”，两种途径影响电子的能量。非极性晶体中，通过改变键长和键角影响电子的能量；它类似于声学声子中的形变势相互作用，称作电子-光学声子形变势相互作用4）Frohlich相互作用：极性晶体中，原胞内带点原子存在相互位移，在晶体内将产生宏观电场，电子受到该宏观电场的作用，是一长程库伦相互作用5）大波矢的电子-声子相互作用：电子与布里渊区边界和近布里渊区边界的声子的相互作用，在非直接带隙光吸收中有重要作用，在纳米半导体中都有涉及出现拉曼散射的基本条件1） 原子存在空间和时间涨落，即固体中原子和分子是运动的2）声子与光的能量，波矢和偏振的相互匹配 声学声子不能与光波耦合 光学声子只有波矢q≈0的长波长声子才能与光有相互作用，声子频率一般在1012~1014Hz，所以只有远红外光，太赫兹光才能与声子耦合 只有产生电偶极矩的光学声子才能与光波发生直接作用，这种光学模只存在于极性半导体中实际上，固体中的声子在能量和频率上一般都不满足上述条件，无法与可见光发生直接耦合；声子的拉曼散射一般是以电子作为“中介”进行的，包括两个复杂体统的相互作用，一个体系是有激子等多体效应的固体能带电子体系，另一个是具有色散和非谐相互作用的声子体系晶体的拉曼散射谱 晶格具有周期性和平移不变性，晶格振动是在无穷范围的类似于波那样的振动，空间关联函数R（r,j）对r具有以波长λj=2π/qj的正弦关系，拉曼散射遵守动量（波矢）选择定则，光散射谱只显示确定散射波矢qj的频率ωj3.低维纳米体系拉曼散射的理论小尺寸效应动量 当晶体几何尺寸r非常小时，尺寸不确定性△r也会相应非常小，因而从不确定关系 △ k· △r≤? 可以得知：动量不确定性 △ k会非常大，也就是说，动量发生了弥散，而不再是一个确定值，并随尺寸减小弥散程度增大3.低维纳米体系拉曼散射的理论当晶粒尺寸减小到纳米量级时，光学声子的空间波函数被局域化，不再是平面波，因而喇曼散射过程不再局限于q→0的声子态，qO的声子也参与散射过程。由于Γ点附近光学声子的振动频率随波矢q的增大而减小，所以晶粒尺寸越小，拉曼峰的红移越大。随着峰的红移，谱线增宽，并且不对称性增加.理论计算--微晶模型用来解释小尺寸体系的拉曼光谱频移和谱线展宽现象的一种唯象理论，包括WRL模型和空间关联模型（spacial correlation）1.WRL模型一级声子拉曼散射光谱强度I (ω)可以同下式计算 是振幅权重函数 的傅氏变换，也就是声子在波矢空间的“密度”分布函数一般振幅权重函数为高斯函数也可以是sinc函数α 可通过和实验数据拟合得到则已知色散关系 就可以计算拉曼光谱，和实验结果拟合很好也可以已知拉曼光谱进而计算出晶格尺寸L权重函数 的引入缺乏有利根据模型对于微观性能考虑过于简单所以当纳米晶的尺寸较大时，模型成立；但当纳米晶尺寸降低到一定程度时，模型失效微晶模型的改进资剑的部分-密度近似理论考虑到了微观性能，用微观键极化率模型，认为具有波矢q~0的声子模式j是整