二维材料的变温拉曼光谱研究

拉曼散射是光与物质相互作用过程中发生的一种非弹性光散射现象.由于拉曼散射光通常带有散射物质结构的特征信息,拉曼光谱一直广泛应用于表征材料结构的研究.近年来,拉曼光谱已成为表征低维纳米材料不可或缺的实验内容,因此也对拉曼光谱技术本身的发展提出新的要求.面向表征层状纳米材料的前沿研究,北京大学基础物理实验教学中心在拉曼光谱检测仪器和技术方面进行了一系列的探索.本文主要介绍北京大学近两年在变温拉曼光谱仪研制及二维材料结构表征应用的一些阶段性工作成果.     

大面积薄层二硫化铌的可控生长

大面积薄层二维材料的可控制备是材料物理研究领域的热点和难点之一. 本工作采用助熔盐辅助的化学气相沉积方法在云母衬底上可控制备了大面积二硫化铌薄层, 最大尺寸达到115 微米. 通过拉曼光谱、 电子显微表征技术进一步确认了化学气相沉积法制备出的二硫化铌为3R 相, 具有很好的单晶性. 本工作基于化学气相沉积方法为可控制备二维过渡金属硫化物提供了参考.     

缺陷单层和双层石墨烯的拉曼光谱及其激发光能量色散关系

拉曼光谱作为一种无破坏性、快速且敏锐的测试技术已经成 为表征石墨烯样品和研究其缺陷的最重要的实验手段之一. 本论文用离子注入在单层和双层石墨烯中产生缺陷, 并利用拉曼光谱研究了存在缺陷时单层和双层石墨烯的一阶和二阶拉曼模, 单层石墨烯的D模为双峰结构, 而双层石墨烯的D模具有四峰结构. 同时, 利用四条激光线系统地研究了本征和缺陷单层和双层石墨烯的拉曼峰频率的激发光能量依赖关系, 并基于石墨材料的双共振拉曼散射机理指认了离子注入后样品各拉曼峰的物理根源. 关键词： 石墨烯 缺陷 拉曼光谱 能量色散关系     

若干低维材料的拉曼光谱学研究--2004年度国家自然科学二等奖获奖项目介绍

文章扼要介绍了2004年国家自然科学二等奖获奖项目：《若干低维材料的拉曼光谱学研究》．用拉曼光谱研究低维纳米材料,必须对传统拉曼光谱学进行改造,创建新的“低维拉曼光谱学”．该项目通过若干低维材料的研究,为创建低维拉曼光谱学作出了系统的创新性贡献,如最先鉴认出典型低维材料的拉曼指纹谱,发现拉曼光谱的两个基本特征出现“反常”,但证明拉曼散射基本原理在低维体系中依然成立．通过低维拉曼光谱和光发射谱的应用研究,发现了材料的许多新奇物性,如发现超晶格和碳纳米管是类缺陷结构,和极性半导体纳米晶材料具有非晶特性,并提出了多孔硅的“量子限制电化学”形成和“多源量子阱”光发射模型,促进了低维材料和半导体器件的制备．     

二硫化铼的原位高压偏振拉曼光谱

高压调控是一种能够对材料的结构、电学、光学等物理特性实现高效、连续且可逆变化的实验手段;拉曼光谱则是一种能够对材料的晶相等结构信息实现精准、快速、无损分析的研究方法.本文结合了金刚石对顶砧高压技术和原位偏振拉曼光谱技术,对二硫化铼(ReS₂)晶体的拉曼振动模式随压强的演变过程进行了深入研究.实验发现ReS₂的常压相(1T’)在3.04 GPa的压强下转变为一个扭曲1T’相,继而在14.24 GPa压强下发生了Re₄原子簇的层内形变,并且在22.08和25.76 GPa分别发生了不同方向的层间无序叠加向有序叠加的转变.这一系列独特的实验现象充分展现了该二维材料的面内各向异性,并证实ReS₂晶体的各向异性随压强的增加而变得愈发显著.本文研究表明压强在调节材料性能方面的关键作用,揭示了ReS₂晶体在制备各向异性光学器件和光电器件等方面的潜力.     

近场拉曼光谱在纳米结构表征中的应用

近场拉曼光谱是近场光学领域中的新型技术,因其可对纳米结构进行光谱表征而备受科学研究者的关注。 文章从光学的角度简述了将近场光学与拉曼光谱相结合成为近场拉曼光谱的原理,介绍了近场拉曼光谱技术的优势,详细阐述了近场拉曼光谱在单壁碳纳米管、生物样品、热电晶体、染料分子等纳米结构表征中的应用,展现了近场拉曼光谱技术广阔的应用前景。     

二维冰相I的电子和光学性质

二维冰是典型的原子制造技术获得的新型原子级材料,其结构和成核生长在材料科学、摩擦学、生物学、大气科学和行星科学等众多领域具有至关重要的作用.虽然二维冰的结构性质已被广泛研究,但对其电学和光学性质知之甚少.本文通过密度泛函理论和线性响应理论计算了二维冰相I在零温时的主要电学、光学、介电性质和红外光谱.其次,利用从头算分子动力学方法模拟得到了二维冰相I在有限温度下的声子振动态密度.本文的结果揭示了原子级二维冰相I的电子结构,同时展示了其独特的光吸收机理,有助于二维冰相I的进一步实验表征和原子级操控.由于表面上的二维冰可以促进或抑制三维冰的形成,这对于设计和研发防结冰材料具有潜在的应用价值.此外,二维冰本身也可以作为一种特殊的二维材料,为高温超导电性、深紫外探测、冷冻电镜成像等研究提供全新的标准材料.     

集成光谱学和显微学技术的多域高分辨表征平台

本文研究了最近建立的集成光谱学和显微学技术的多域(能量、空间、时间)高分辨表征平台. 它提供了一种前所未有的方式来分析材料的光谱(能量)在时间域和空间域方面的演变. 展示了在此多域分辨平台上所采集的几种实验结果，其中包括原位拉曼成像(高分辨率拉曼、偏振拉曼、低波数拉曼)、时间分辨光致发光成像和光电性能成像等等. 新建立的多域高分辨表征平台将在材料科学的光化学领域发挥重要的作用.     

广义二维相关光谱技术及其应用

广义二维相关光谱技术目前逐渐成为光谱分析中广泛应用的研究方法,综述了其历史发展、基本原理、获取谱图方法、数学计算过程、谱图性质及其解释规则,并介绍了二维红外、近红外、拉曼和荧光光谱相关光谱技术在各个领域中的应用,展望了广义二维相关光谱技术的发展趋势。     

G-四链体结构及其应用的光谱学研究

G-四链体是指一种由富含G碱基核酸序列通过G平面的π—π堆积形成的一种特殊的核酸二级结构。本文介绍作者课题组利用光谱表征方法(紫外可见光吸收、圆二色、拉曼、核磁共振光谱等)在G-四链体结构研究领域的最新进展。同时,对本组利用这些光谱技术研究G-四链体DNA酶的相关工作也一并介绍。