宝石级钠沸石的振动光谱表征

国际珠宝交易市场上最近出现了一批价值不菲的无色透明的宝石级钠沸石刻面成品,为提供快速区分其与仿制品材料的依据,文章通过红外光谱和拉曼光谱对三颗钠沸石样品的振动光谱进行了研究。结果表明, 其红外光谱主要表现为：4 000～1 200 cm-1的吸收峰是结构中水导致的吸收;1 200～600 cm-1 的强吸收与TO₄四面体的内部T—O(T为Si或Al)的反对称和对称伸缩振动有关。拉曼光谱散射峰主要分布在300～600和700～1 200 cm-1两个区间。300～360 cm-1处较弱强度的拉曼散射峰是由于结构中水分子所导致。482 cm-1处中等强度的峰归属于硅氧四面体内部由于变形导致的拉曼位移。726 cm-1处的拉曼散射峰归属于Al—O的伸缩振动;974,1 038,1 084 cm-1的三处拉曼散射峰都是Si—O的伸缩振动导致的拉曼位移。     

1.0～4.4GPa下奥长石拉曼光谱特征的变化

常温、1.0～4.4GPa下,利用激光拉曼光谱研究了奥长石晶体结构随压力的变化。发现,压力为2.9GPa时,517cm-1附近出现新的谱峰,奥长石开始相变。3.4GPa时,源于奥长石结构中M—O伸缩振动的288cm-1拉曼谱峰频移发生突变,517cm-1附近谱峰消失,奥长石由三斜晶系完全相变为单斜晶系(P1-I1)。随压力增加,归属于奥长石四面体结构中Si—O—Si弯曲振动的458及516cm-1谱峰随压力增加有规律地向高频方向偏移,斜率分别是1.667cm-1/GPa和3.560cm-1/GPa,而源于Al—O—Al弯曲振动的480cm-1谱峰与压力没有明显的线性变化关系。卸压过程中,288cm-1拉曼谱峰频移保持不变,458,480及516cm-1谱峰向低频偏移。长石类矿物的相变压力与结构中八元环所含阳离子种类有关。     

在200℃和0.95～7.70GPa下天然斜绿泥石的拉曼光谱特征

在200℃,0.95~7.70 GPa下,利用激光拉曼光谱技术研究了天然斜绿泥石晶体结构随压力的变化。在200℃,斜绿泥石481和786 cm-1谱峰随压力增加有规律地向高频方向偏移,拉曼位移(N,cm-1)与压力(P,GPa)的线性关系分别为:N=11.136P+482.6(R2=0.987 4)和N=5.055P+785.7(R2=0.983 7)。由于四面体层T阳离子与TOT层八面体M阳离子之间产生强烈的排斥作用,使Si—Onb键能增强,导致硅氧四面体层中Si—Onb键伸缩振动的865 cm-1谱峰随压力没有明显的频移。481和786 cm-1谱峰分别对应斜绿泥石晶体结构中M4八面体中M—Obr伸缩振动和Si—Obr—Si伸缩振动,频移说明M—Obr和Si—Obr键长缩短。在实验条件下绿泥石没有发生相变。研究结果说明,在某些冷俯冲带,绿泥石至少在80~90 km深部可能稳定存在,绿泥石脱水及其产生的流体可能是俯冲带地震孕育和发生的重要因素。     

复合材料残余应力的拉曼测定

本文报道在拉曼光谱仪中用拉曼光谱术和荧光光谱术测定复合材料残余应力(应变)的方法和结果。复合材料组分中Al2O3的荧光R1峰、Si晶体和SiC纤维拉曼峰的位置(波数)随应变的偏移与应变值都有近似的线性关系。这种关系可用于确定复合材料中由外负荷力学作用或热学作用引起的残余应变。在显微拉曼系统中测定了ZrO2-Al2O3层状复合材料,Al-Si共晶体和SiC纤维增强玻璃复合材料的残余应变及其空间分布。     

利用Keating模型计算Si(1-χ)Geχ及非晶硅的拉曼频移

利用Keating模型计算了Si(1-χ)Geχ合金中Si-Si,Ge-Ge和Si-Ge三种振动模态的拉曼频移,计算分别获得Ge浓度为0.1,0.5和0.9时,Si-Ge的振动拉曼频移分别为402.75,413.39和388.15 cm-1,这些结果与文献的实验结果符合,证明了Keating模型建立的关于原子振动模型是有效的,并可以利用拉伸压缩和相邻原子键之间弹性系数变化获得处于应变状态的拉曼光谱频率.利用Keating模型首次计算得到了非晶硅材料的单声子散射峰为477.029 cm-1,与文献实验结果480.0 cm-1相近,说明了非晶硅中原子的总体效果与晶体硅相比处于拉伸状态.     

离子注入GaN的拉曼散射研究

研究了离子注入前后GaN的拉曼散射光谱,特别是其中几个在各种离子注入后都存在的拉曼散射峰,如298,362和661cm-1峰的性质,峰值强度随注入元素原子量、注入剂量和退火温度的变化关系.上述三个拉曼散射峰的强度都随注入元素原子量的增加而降低.当注入剂量增大时,362和661cm-1峰值强度减少,而298cm-1峰值强度却增大.随退火温度的升高,这三个拉曼散射峰的强度先增加后降低.对所观察到的实验现象和这三个峰的起源进行了分析和讨论. 关键词： GaN 离子注入 拉曼散射 局域振动     

马达加斯加黄色方柱石的谱学特征研究

利用常规宝石学仪器、电子探针、傅里叶变换红外光谱仪、激光拉曼光谱仪、紫外-可见分光光度计和三维荧光光谱仪等,对马达加斯加黄色方柱石的宝石学性质及谱学特征进行了研究分析。马达加斯加方柱石的宝石学特征与方柱石理论值基本一致;方柱石样品颜色均匀,具有玻璃光泽,原石晶型较为完好且表面普遍可见纵纹及褐红色杂质,部分样品表面可见晕彩效应,样品内部可见多种包裹体,如黑云母、无色晶体包裹体等。红外光谱分析结果表明,样品在指纹区均显示1 039,1 105和1 196 cm-1处 Si（Al）—O伸缩振动吸收峰;752 cm-1处Si—Si（Al）伸缩振动吸收峰;551,687和624 cm-1处O—Si (Al)—O 弯曲振动吸收峰;459 cm-1处Si—O—Si的弯曲振动与Na（Ca）—O伸缩振动的耦合吸收峰;416 cm-1处Si—O—Si弯曲振动吸收峰。红外光谱官能团区的诊断性鉴定依据为：3 530和3 592 cm-1处O—H振动引起的吸收峰;2 499,2 629和2 964 cm-1处CO2-₃振动产生的吸收峰。拉曼光谱分析结果表明,桥氧弯曲振动产生459和538 cm-1两处吸收峰;Al—O振动导致775 cm-1吸收峰;硅氧四面体Q₄结构单元振动产生1 114 cm-1吸收峰。紫外-可见光吸收光谱可知,马达加斯加方柱石为过渡金属元素致色,铁离子的存在导致了379和420 nm两处吸收峰,且420 nm吸收峰的强弱影响着方柱石的颜色深浅。致色原因为占据了晶体结构中四面体位置的Fe2+与Fe3+之间电荷转移,从而产生黄色。三维荧光光谱分析显示,方柱石具有较为一致的发光行为,均可见一强一弱两个荧光峰,多集中在302 nm(λ_ex)/343 nm(λ_em)附近。电子探针成分分析结果表明样品属于方柱石族系列中的针柱石,Ma值范围为66%～69%, 平均Ma值为68.1%,且随着Ma值的增高,双折射率随着变小。谱学测试作为无损测试技术,适用于鉴定宝石品种。对鉴定马达加斯加方柱石具有重要的意义,同时为产地溯源、区分优化处理品种提供数据支持。     

基于SiPM和TCMPC的时间分辨拉曼散射测量技术研究

报道了一种基于硅光电信增管(SiPM)的时间相关多光子计数(TCMPC)技术并将其应用于时间分辨拉曼散射测量。相比于常规基于光电倍增管(PMT)或单光子雪崩二极管(SPAD)的时间相关单光子(TCSPC)技术,由于SiPM可以分辨信号脉冲的具体光子数,基于SiPM的TCMPC技术消除了信号脉冲包含的光子数必须小于等于1的限制,光子计数效率提高了10倍以上,大大节省了测量时间。此外,多光子测量比单光子测量能够得到更好的时间分辨率,时间分辨拉曼散射系统的仪器响应函数(IRF)从单光子81.4 ps缩短至双光子59.7 ps,因而可以用更窄的时间门限抑制荧光本底等噪声对拉曼散射测量的影响。使用TCMPC技术测量CCl₄在0.5和1.5 p.e.两个不同光子数阈值的拉曼峰的峰本比,后者较高的光子数阈值能进一步降低SiPM暗计数噪声的影响,增加了拉曼信号测量的信噪比,测量得到的CCl₄ 459 cm-1拉曼峰的峰本比是前者的6.4倍。将所述新的拉曼散射测量技术与基于PMT和锁相放大器(LIA)的传统拉曼散射测量技术进行了比较研究,前者由于可以使用仅有数十皮秒的测量门限,可以有效抑制荧光、环境杂散光和SiPM暗计数等噪声的影响,所得光谱具有更好的峰本比,测得CCl₄的459 cm-1拉曼峰和Si的一阶拉曼峰的峰本比分别是后者的3.9倍和5.5倍。     

小尺寸Si/Ge量子点内应变和组分的拉曼光谱表征

本文详细地研究了原始生长和退火处理后的Si/Ge量子点的拉曼光谱。我们观测到了Si/Ge量子点的一系列本征的拉曼振动模以及Ge-Ge模的LO和TO声子峰间4.2cm-1的频率劈裂。通过这些参数,我们自洽地确定了原始生长的平面直径为20nm和高为2nm的Si/Ge量子点内Ge的平均组分为80%,平均应变为-3.4%。分析清楚地表明了这种小尺寸的Si/Ge量子点内的应变仍遵从双轴应变,并且应变的释放主要由量子点和Si隔离层间Si-Ge原子互扩散决定。     

汶川地震断裂带岩脉矿物拉曼谱峰特征

对汶川地震断裂带深溪沟出露的基岩错动面两侧岩脉中的石英矿物进行了拉曼谱峰测定,并根据所测石英的464 cm-1拉曼谱峰向高波数的偏移量估算了断裂带中的压应力分布。测试结果表明,错动面附近岩脉中石英的464 cm-1拉曼谱峰向高波数偏移量为3.29 cm-1,相应的压应力值为368.63 MPa,明显低于错动面两侧应力积累,这可能是由于错动面的多次活动导致了应力不断得到释放。断裂南东盘(下盘)远离错动面,岩脉中石英的464 cm-1拉曼谱峰向高波数偏移量具有增加的趋势,相应的应力积累也逐渐增强,距错动面21 m处的石英样品的464 cm-1拉曼谱峰向高波数偏移4.40 cm-1,相应压应力可达到494.77 MPa。剖面北西盘(上盘)在距错动面10 m处,样品464 cm-1拉曼谱峰的偏移量达到最大值,相应的应力积累为519.87 MPa,其后远离错动面应力积累开始减弱,在北西盘17 m处,应力积累骤然下降至400.37 MPa。在西北盘距错动面27 m处,岩脉石英的464 cm-1拉曼谱峰向高波数偏移量下降至3.21 cm-1,应力已经减弱到359.59 MPa,这可能是由于该处位于断裂带的边缘,远离错动面,受到了较小的断层活动的影响。因此,汶川地震断裂带内的应力虽然得到部分释放,但剩余的应力分布并不均匀,而且在局部还存在较高的应力积累,这反应了断裂带中岩石的力学性质在空间上具有不均匀性。     

拉曼-光荧光光谱热壁外延生长GaAs/Si薄膜晶体质量研究

本文研究了用热壁外延（HWE）技术在Si衬底上,不同工艺条件生长的GaAs薄膜的拉曼（Raman)和光荧光（PL）光谱。研究表明,在室温下,GaAs晶膜的拉曼光谱的265cm^-1模声子（TO）峰和290cm^-1纵声子（LO）峰的峰值和面积之比随晶膜质量的变化而逐渐变大,FWHM变窄且峰值频移变小,而PL光谱出现在900nm光谱的FWHM较窄,这表明所测得的薄膜为单晶晶膜,在另外一些工艺条件下生长的GaAs薄膜拉曼光谱峰形好,但测不出PL光谱,所生的膜不是单晶,同时对同一晶膜也可判断出其均匀程度,因此我们可以通过拉曼光谱和荧光光谱相结合评定外延膜晶体质量。     

Si(110)和Si(111)衬底上制备InGaN/GaN蓝光发光二极管

分别在Si(110)和Si(111)衬底上制备了In Ga N/Ga N多量子阱结构蓝光发光二极管(LED)器件.利用高分辨X射线衍射、原子力显微镜、室温拉曼光谱和变温光致发光谱对生长的LED结构进行了结构表征.结果表明,相对于Si(111)上生长LED样品,Si(110)上生长的LED结构晶体质量较好,样品中存在较小的张应力,具有较高的内量子效率.对制备的LED芯片进行光电特性分析测试表明,两种衬底上制备的LED芯片等效串联电阻相差不大,在大电流注入下内量子效率下降较小;但是,相比于Si(111)上制备LED芯片,Si(110)上LED芯片具有较小的开启电压和更优异的发光特性.对LED器件电致发光(EL)发光峰随驱动电流的变化研究发现,由于Si(110)衬底上LED结构中阱层和垒层存在较小的应力/应变而在器件中产生较弱的量子限制斯塔克效应,致使Si(110)上LED芯片EL发光峰随驱动电流的蓝移量更小.     

硅基锗薄膜选区外延生长研究

利用超高真空化学气相沉积系统, 基于低温Ge缓冲层和选区外延技术, 在Si/SiO₂图形衬底上选择性外延生长Ge薄膜. 采用X射线衍射、扫描电镜、原子力显微镜、拉曼散射光谱等表征了其晶体质量和应变等参数随图形尺寸的变化规律. 测试结果显示, 位错密度随着图形衬底外延窗口的尺寸减小而减少, Ge层中的张应变随窗口尺寸的增大先增大而后趋于稳定. 其原因是选区外延Ge在图形边界形成了(113)面, 减小了材料系统的应变能, 而单位体积应变能随窗口尺寸的增加而减少; 选区外延厚度为380 nm的Ge薄膜X射线衍射曲线半高宽为678", 表面粗糙度为0.2 nm, 表明选区生长的Ge材料具有良好的晶体质量, 有望应用于Si基光电集成.     

Structural and optical properties of Si/SiO2 multi-quantum wells

Structural and optical properties of Si/SiO₂ multi-quantum wells (MQW) were investigated by means of Raman scattering and photoluminescence (PL) spectroscopy. The MQW structures were fabricated on a quartz substrate by remote plasma enhanced chemical vapour deposition (RPECVD) of alternating amorphous Si and SiO₂ layers. After layer deposition the samples were subjected to heat treatments, i.e. rapid thermal annealing (RTA) and furnace annealing. Distinct PL signatures of confined carriers evidenced formation of Si-nanocrystals (nc-Si) in annealed samples. Analyses of Raman spectra also show presence of nc-Si phase along with amorphous-Si (a-Si) phase in the samples. The strong influence of the annealing parameters on the formation of nc-Si phase suggests broad possibilities in engineering MQW with various optical properties. Interestingly, conversion of the a-Si phase to the nc-Si phase saturates after certain time of furnace annealing. On the other hand, thinner Si layers showed a disproportionately lower crystalline volume fraction. From the obtained results we could assume that an interface strain prevents full crystallization of the Si layers and that the strain is larger for thinner Si layers. The anomalous dependence of nc-Si Raman scattering peak position on deposited layer thickness observed in our experiments also supports the above assumption.     

Spatially‐resolved and polarized Raman scattering from a single Si nanowire

We report spatially‐resolved and polarized Raman scattering results from a single Si nanowire (NW). Transmission electron microscope images show that the surface morphology of the Si NW varies from smooth to rough along the long axis. As the NW grows, the smooth surface becomes rough because of Au diffusion to the surface, resulting in the formation of facets and stacking faults. Spatially‐resolved Raman spectra along the NW long axis reveal variations in tensile strain related to the morphological changes in NW surface. The tensile strain in the top segment of the NW with a smooth surface is greater than that in the bottom segment with a rough surface. Despite the formation of facets and stacking faults, polarized Raman scattering results both from the top and bottom segments of the NW are consistent with the Raman polarization selection rules expected for a cubic crystal. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

Sr3TaGa3Si2O14(STGS)单晶的晶格振动

根据空间群理论,预测了Sr3TaGa3Si2O14(STGS)单晶的振动模式,并分别计算了非极性和极性振动模式的Raman散射强度。测量了STGS晶体的Raman光谱,并对其振动模式进行了指认。实验结果表明STGS晶体具有6个A1对称类特征振动模式:波数为126cm-1的振动峰可指认为SiO4团簇、Sr原子和TaO6团簇间的相对平动;245cm-1的振动峰是SiO4团簇的扭曲振动和Sr—TaO6—Sr伸缩振动耦合的结果;特征峰557和604cm-1分别来源于O—Ta—O和O—Ga—O的伸缩振动;896cm-1谱带对应着两个SiO4四面体的O—Si—O伸缩振动;991cm-1的谱带对应着两个SiO4四面体的Si—O伸缩振动。实验结果和理论计算结果均确证了STGS晶体的层状结构,其弱的各项异性和压电模量归因于十面体结构单元的微弱形变。     

用硅离子注入方法制备的纳米硅的拉曼散射研究

在直角散射配置下测量了纳米硅样品的拉曼散射谱及其退火温度的关系。结果表明,在８００℃以下退火的样品只观察到单晶硅衬底的光学声子模,在９００℃以上退火,才观察到纳米硅的特征拉曼散射峰。在１２００℃下退火后,纳米硅的特征拉曼散射峰消失,观察到类似于非晶硅的光学声子特征峰,可能表示纳米硅不能承受这样的高温热退火。这些结果进一步证实了光致发光谱的结果。     

Ca_(1-x)Al_2Si_2O_8∶Eu_x表面结构与荧光强度相互关系的研究

采用固相法分别在1 150,1 250,1 350,1 450℃下制备了Ca_(1-x)Al_2Si_2O_8∶Eu_x(x=0,0.01,0.05,0.15)系列微晶材料。通过X射线衍射仪(XRD)、拉曼光谱仪(Raman)、光致发光光谱仪(PL)和X射线荧光光谱仪(XRF)研究了CaAl_2Si_2O_8表面结构与荧光强度之间的相互关系。XRD和Raman结果表明:在制备CaAl_2Si_2O_8材料的过程中,随着温度不断升高,原材料逐渐结晶形成结构较为完整的CaAl_2Si_2O_8相;并且从拉曼光谱可以清晰看出,当Eu掺杂量相同时,随着烧结温度的升高,Si—O非晶相逐渐减少,硅氧四面体逐步形成,其振动峰位置逐渐向低波数移动,但当温度过高时硅氧四面体破坏形成宽化的的非晶峰;Eu的掺杂阻碍了Al取代Si位置的过程,因此在1 620波数处振动峰先增强后减弱。这种材料表面结构的变化与Eu的掺杂密切相关,影响着材料表面Eu原子数量分布。PL和XRF结果表明:相同Eu掺杂量时,温度越高越有利于Eu原子扩散到样品表面,从而使样品的荧光强度更强。因此样品的荧光强度和样品单位表面积Eu原子数量存在正比关系。     

Effects of strain on the dissociation dynamics of O2 on Si(001)

There are two distinctive channels in the dissociation reaction of O2 on Si(001)-(2 x 1): a trapping-mediated channel and a direct-activated channel. Externally applied tensile strain along the <110> direction on the (001) surface is found to suppress the dissociation via a direct-activated channel and to enhance that via a trapping-mediated channel in the temperature range between 200 and 300 K. It has been demonstrated that the dissociation dynamics involving elementary processes such as inelastic scattering and trapping, desorption and/or dissociation from a trapping precursor, and direct dissociation are sensitively influenced by the strain to change the branching ratio of the dissociation reaction.     

Effect of strain on the carrier mobility in heavily doped p-type Si

We present an experiment that gives insight into the origin of the dependence of the hole mobility (mu) on the dopant species in heavily doped p-type Si under low electrical field. The Hall carrier concentration and mobility were measured in Si coimplanted with B and Ga in the 0.1-2 x 10{20} cm{-3} concentration range. The strain induced by substitutional dopants, detected by high resolution x-ray diffraction, was varied by changing the relative B and Ga concentration. The effect of strain on mobility was disentangled and a linear relationship between 1/mu and the perpendicular strain was found.