共振拉曼效应和电子-声子耦合对线性多烯分子共振拉曼光谱的影响

线性多烯分子具有高强度且信息丰富的共振拉曼光谱,在生物学、光电材料和医学等方面都有一定应用。而含有共轭双键的短链β胡萝卜素分子是多烯分子中极具有代表性的分子。在激发光作用下π电子与CC键振动相互作用影响着吸收光谱和拉曼光谱,而共振拉曼效应和电子-声子耦合影响着共振拉曼光谱的强度、频率和线型。测量了β胡罗卜素分子在二氯乙烷中283～223 K温度范围内的紫外-可见吸收和共振拉曼光谱。研究了共振效应和电子-声子耦合对吸收光谱和拉曼光谱的变化所起的作用。获得随着温度的降低,黄昆因子减小,表明CC键的振动减弱,分子体系能量减小,吸收峰红移;随着温度的降低,分子有序性提高,电子-声子耦合强度增加,增强了电子能隙对CC键振动的调制作用,拉曼模频率向低波数方向移动,即拉曼光谱红移;同时,经过计算发现随着温度的降低,β胡萝卜素分子C-C和C═C的拉曼散射截面增加,线宽变窄,倍频与基频强度比增加。对比和分析了共振效应和电子-声子耦合作用对拉曼光谱的拉曼散射截面、线宽和倍频与基频强度比的影响。虽然共振效应和电子-声子耦合作用在不同温度下对拉曼光谱都有一定影响,但研究发现不同温度下共振效应对拉曼光谱的影响要大于电子-声子耦合,且电子-声子耦合对谐波的影响更小。这是由于随着温度的降低,发生红移的紫外可见吸收光谱,使拉曼光谱中514.5 nm激发光更接近00吸收峰,明显的增强了分子的共振效应,使其拉曼散射截面,线宽,倍频与基频强度比随温度有很大变化。该研究对共振效应和电子-声子耦合的研究为研究温度对胡萝卜素等线性多烯分子性质的影响提供一定实验和理论依据。     

线性多烯分子的共振拉曼光谱

线性多烯分子是重要的光电材料,它还具有光采集、 光防护、 防癌、 抗癌功能,也是物理学、 化学理论研究的理想分子。 共振拉曼光谱是研究线性多烯分子最有力的工具。 本文总结了线性多烯分子共振拉曼光谱的特征及其与分子结构的关系,包括：电子光谱(紫外-可见吸收光谱)、 拉曼光谱的性质及与外场的关系;电子能隙对碳碳原子振动的调制作用;给出几个实验结果：温度降低、 溶剂密度增加、 溶液浓度降低等会使线性多烯分子结构有序增加,π电子能隙减小,使紫外-可见吸收光谱红移;π电子离域扩展,有效共轭长度增加,拉曼活性提高,拉曼光谱红移,拉曼截面增加。 振幅模型是研究线性多烯分子较理想的模型。     

溶液相变对β胡萝卜素分子构型变化特征能的影响

由于β胡萝卜素分子具有光敏感的特性,同时也具有光采集、光防护功能, 是重要的光电材料, 所以在光器件和光控温方面有重要应用。线性多烯分子的共振拉曼光谱是π电子能隙对碳碳键振动调制的结果,这种调制作用与外场有关,研究其在外场下的分子结构和性能变化既有理论意义也有应用价值。测量了β胡萝卜素分子在环己醇中341～275 K温度范围内的紫外-可见吸收光谱和共振拉曼光谱。实验结果表明随着温度的降低, 黄琨因子和碳碳键的每个振动模的电子-声子耦合常数减小, 紫外-可见吸收光谱红移, 碳碳键拉曼散射截面增加。295 K时溶液从液相转为固相,溶液相变后,β胡萝卜素分子的构型变化特征能ε变大,且使固相中的黄琨因子、紫外-可见吸收峰波长、电子-振动耦合系数、拉曼散射截面都随着温度的降低变化率增加。固相中的黄琨因子比液相中的黄琨因子大一个数量级。液相中的构型变化特征能为ε_ａ=0.206 7 eV,固相中的构型变化特征能为ε_b=0.559 6 eV, 构型变化特征能增加,使有效共轭长度n(T)＝n₀exp(ε/kT)随温度的降低而增加的速率变大;导致π电子能隙减小加快,电子能隙对β胡萝卜素分子碳碳键振动的调制作用增强,电子振动耦合系数增加,拉曼散射截面大幅增加。     

线性多烯分子的π电子能隙对原子振动的调制

β胡萝卜素是典型的线性多稀分子,重要的光电材料,在医学上也有重要的作用,研究它在外场作用下分子结构和性能的变化及机理有很重要的理论和应用价值。分别测量了β胡萝卜素在二甲基亚砜中温度为81～25 ℃范围和β胡萝卜素在二硫化碳中压力为0.04～0.60 GPa范围的紫外-可见吸收和共振拉曼光谱。发现了两种不同的的光谱现象,随温度降低,二甲基亚砜中的β胡萝卜素分子的紫外-可见吸收、拉曼光谱都红移,拉曼散射截面增大;而随压强增加二硫化碳中β胡萝卜素分子的紫外-可见吸收峰也红移,但拉曼散射峰却蓝移,拉曼散射截面减小。两种实验现象不能同时用线性多烯分子的“有效共轭长度”“弱阻尼相干振动”等理论模型给予明了解释。电子—声子耦合常数,可以表征分子中的原子和电子在外界环境作用下的相互振动耦合程度的强弱。该研究依据电子—振动相互作用规律,通过分析和计算得出结论：二种实验现象都是π电子与碳碳键振动相互作用产生的,即由于温度、压力作用对β胡萝卜素分子结构及电子—振动耦合影响不同, 引起电子-声子耦合常数不同,是电子能隙对碳碳振动的调制作用而产生的两种实验结果。     

溶剂极性对β胡萝卜素分子电子-声子耦合的影响

引用一种带有量纲的电子-声子相互作用常数,很容易建立它与黄昆因子的关系式,进而计算出类胡萝卜素分子每个碳碳振动模的电子-声子耦合常数。测量了β胡萝卜素分子在极性溶剂1,2-二氯乙烷和非极性溶剂环己烷中20~60℃的温度范围内紫外-可见吸收光谱和共振拉曼光谱。结果表明,在极性溶剂1,2-二氯乙烷中,β胡萝卜素分子的碳碳键拉曼散射截面小,黄昆因子、电子-声子耦合数比非极性溶剂中大。为了解释这种现象,我们引入线性多烯分子的两种模型,即F A C Oliveria引入的有效共轭长度模型和D Yu Paraschuk提出的相干弱阻尼电子-晶格振动模型。     

压强对β胡萝卜素分子的电子-声子耦合常数的影响

电子-声子耦合常数不仅可以反映出分子中π电子离域程度的强弱, 有效共轭长度的大小, 同时也可以表征分子中的原子和电子在外界环境作用下的相互振动耦合程度的强弱。在一些研究中电子-声子耦合常数被定义为无量纲的系数。应用R.Tubino等引用的一种有量纲的电子-声子耦合常数, 建立其与黄昆因子的关系式, 进而可以计算出共轭键中单个振动模的数值。压强对多烯分子吸收光谱、拉曼光谱频移影响的研究已有报道, 但对拉曼散射截面、黄昆因子、电子-声子耦合常数的研究还没有报道。测量了β胡萝卜素分子在二硫化碳溶液中0.04～0.60 GPa的压强范围内的紫外-可见吸收光谱和共振拉曼光谱。实验结果表明, 随着压强的增加, CS₂溶液中的β胡萝卜素分子的紫外-可见吸收光谱的吸收带发生明显的红移现象, 而拉曼光谱的特征谱线却发生蓝移的现象, 拉曼散射截面减小, 电子-声子耦合常数增加。其机理是随着压强的增加, β胡萝卜素分子被压缩又结构有序性下降, 导致电子能隙变窄, 有效共轭长度变短, π电子离域范围减小, 拉曼散射截面减小, 黄昆因子、电子-声子耦合常数增加。     

溶剂效应对β胡萝卜素分子电子振动耦合的影响

测量了10种典型溶剂中β胡萝卜素分子的紫外-可见吸收谱和共振拉曼光谱.结果表明:溶剂的极化率、介电常数都对β胡萝卜素分子的电子-振动耦合有影响;随着极化率的增大,β胡萝卜素分子的黄昆因子、电子-振动耦合常数减小,拉曼截面增加,且这些影响与溶剂极性无关;随着溶剂介电常数的增加,对于非极性溶剂,β胡萝卜素分子的黄昆因子、电子-振动耦合常数减小,拉曼截面增加,对于极性溶剂,没有获得比较好的规律.给出了溶剂性质对电子-振动耦合的影响规律,为分子的电子-振动耦合研究中溶剂的选择提供了参考.     

β-胡萝卜素分子的黄琨因子的温度特性

β-胡萝卜素具有光采集、光防护功能, 又是重要的光电材料, 它在外场下的分子结构和性能变化既有理论意义也有应用价值。测量了β-胡萝卜素在环己醇中68～26 ℃温度范围内的紫外-可见吸收、拉曼光谱。实验结果表明随着温度的降低, 黄琨因子和碳碳键每个振动模的电子-声子耦合常数减小, 紫外-可见吸收光谱红移, 碳碳键拉曼散射截面增加。用线性链状多烯分子的“相干弱阻尼电子-晶格振动模型”、“有效共轭长度模型”等理论给予了解释。随着温度的降低,β-胡萝卜素分子的热无序减小,分子结构有序性增加,π电子离域扩展,有效共轭长度增加,导致紫外-可见吸收光谱红移和强的拉曼活性。相干弱阻尼电子-晶格振动增强,使碳碳键拉曼散射截面增加。引用带有量纲的电子-声子相互作用常数,既可以与黄昆因子建立关系式,计算出碳碳键每个振动模的数值,也可以表征分子的有效共轭长度,π电子离域程度及拉曼散射截面的大小等。     

分子极性对类胡萝卜素共振拉曼光谱的影响

测量了非极性分子β胡萝卜素和极性分子角黄素, 在非极性溶剂CS₂和极性溶 剂1,2二氯乙烷中243–293 K的温度范围内的共振拉曼光谱. 结果表明, 溶质和溶剂的极性对拉曼光谱影响很大. 非极性分子β胡萝卜素在非极性溶剂CS₂中的拉曼散射截面最大, 线宽最窄, 而极性分子角黄素在极性溶剂1,2二氯乙烷中的拉曼散射截面最小, 线宽最大. 用溶剂效应及线性多烯分子的“相干弱阻尼电子-晶格振动”, “有效共轭长度”模型给予了解释.     

络合物形成对电子-声子耦合的影响

测量了室温(20℃)条件下极性溶剂1, 2-二氯乙烷-碘溶液中的β胡萝卜素 紫外-可见吸收光谱和拉曼光谱. 结果表明, 生成络合物的β胡萝卜素在460 nm处的紫外-可见吸收峰消失, 并在1000 nm处出现β胡萝卜素与碘形成络合物的吸收峰, 致使514.5 nm激光激发时察觉不到络合物中β胡萝卜素离子CC键的共振拉曼光谱.而溶液中没有形成络合物的β胡萝卜素CC键拉曼散射截面随络合物浓度增加而减小, 拉曼光谱线宽增加, π电子-声子耦合系数增加, 其机理是随络合物增加溶液混乱程度增加、β胡萝卜素分子结构有序性减小所致, 且可以用“相干弱阻尼电子-晶格振动”、“有效共轭长度”、“振幅模型”等理论给予解释. 关键词： 络合物 电子-声子耦合 共振拉曼光谱     

Raman spectra of IVB and VIB transition metal disulfides using laser energies near the absorption edges

In this paper, we present Raman spectra of ZrS₂, HfS₂, MoS₂ and WS₂ using laser energies near the energies of the absorption edges. The Raman spectra probe the properties of the first-excited electronic state and the nature of the electron-phonon coupling. The spectra of the IVB disulfides are independent of the laser excitation energy, suggesting weak electron-phonon interaction. In contrast, additional Raman bands appear in the spectra of the VIB disulfides as the laser energy approaches the band gap energy. The new modes in the spectra of MoS₂ and WS₂ cannot be assigned as first-order processes nor as combination bands of the phonons with zero momentum. The resonance Raman scattering of MoS₂ is analyzed in terms of second-order scattering due to the coupling of phonon modes of nonzero momentum with an electronic transition associated with excitonic states.     

Temperature dependence of the energy GAP in GaAs

It is shown that electron-phonon self-energy effects are as important as the Debye-Waller screening of the pseudopotential in the temperature dependence of the band gap when the valence band is degenerate.     

On the stability of the polaron in one dimensional disordered systems

A one-dimensional disordered system of electrons described by a tight binding model interacting with vibrational degrees of freedom (in harmonic approximation) is considered. A stable configuration is determined by a numerical minimization of the total energy which is based on the adiabatic approximation. The behaviour of the electron density (charge density wave) and the density of states is analysed. The localization properties are investigated as well. In contrast to the corresponding disordered system with vanishing electron-phonon coupling the present model has an energy gap. The formation of the gap and the polaron band is shown to be quite different for both onsite and intersite types of coupling terms. For large disorder, the lattice distortion and the gap disappear if only the vibrational contribution to the intersite coupling is important. They increase, however, if only the vibrational contribution to the site energies is taken into account. In both cases the localization length decreases upon increasing the electron-phonon coupling energy. The results are discussed with respect to low dimensional organic materials and amorphous semiconductors.     

Electron-phonon renormalization of the direct band gap of diamond

We calculate from first principles the temperature-dependent renormalization of the direct band gap of diamond arising from electron-phonon interactions. The calculated temperature dependence is in good agreement with spectroscopic ellipsometry measurements, and the zero-point renormalization of the band gap is found to be as large as 0.6 eV. We also calculate the temperature-dependent broadening of the direct absorption edge and find good agreement with experiment. Our work calls for a critical revision of the band structures of other carbon-based materials calculated by neglecting electron-phonon interactions.     

Electric field effect tuning of electron-phonon coupling in graphene

Gate-modulated low-temperature Raman spectra reveal that the electric field effect (EFE), pervasive in contemporary electronics, has marked impacts on long-wavelength optical phonons of graphene. The EFE in this two-dimensional honeycomb lattice of carbon atoms creates large density modulations of carriers with linear dispersion (known as Dirac fermions). Our EFE Raman spectra display the interactions of lattice vibrations with these unusual carriers. The changes of phonon frequency and linewidth demonstrate optically the particle-hole symmetry about the charge-neutral Dirac point. The linear dependence of the phonon frequency on the EFE-modulated Fermi energy is explained as the electron-phonon coupling of massless Dirac fermions.     

MgB2超导薄膜的变温拉曼光谱研究

MgB₂作为迄今为止超导转变温度最高的合金超导体,由于其具有结构简单、相干长度长、晶界间不存在弱连接、上临界场很高、电-声散射时间短等特点,MgB₂超导薄膜在电子学领域有着广阔的的应用前景。拉曼光谱是研究电-声子相互作用和超导能带的一种有效方法,且已广泛用于分析MgB₂材料的电子、声子特征以及超导体能带结构,研究表明,样品质量、晶粒尺寸以及测试条件对MgB₂拉曼峰的峰位和峰形影响很大,其中拉曼光谱随温度的变化也是一个研究重点,但目前关于MgB₂变温拉曼光谱的研究,测试的温度范围相对较小,局限在83 K到室温区域或是转变温度附近。研究了大范围温度区间内MgB₂薄膜的拉曼光谱变化,采用混合物理化学沉积法在(0001)SiC衬底上制备了MgB₂多晶薄膜,薄膜的晶粒尺寸约为300 nm,超导转变温度为39.3 K,对其在10～293 K之间的拉曼光谱进行了测试,测量的波数范围为20～1 200 cm-1。变温拉曼光谱的测试结果显示,在高频620 cm-1附近以及低频80和110 cm-1附近存在MgB₂的拉曼峰。经分析,低频区域出现的两个拉曼峰的频率与超导能隙宽度相对应,表明MgB₂的双能隙特性。考虑到MgB₂中四种声子模式的拉曼活性,高频620 cm-1附近的拉曼峰应是由E_2g振动模所贡献的,且随着测试温度的降低,该拉曼峰的峰位未发生明显的偏移,但半高宽显著变小,从293 K时的380.7 cm-1减小到10 K时的155 .7 cm-1,分析表明E_2g声子与电子系统的非线性耦合所引起的非简谐效应可能是拉曼峰半高宽线性变小的主要原因。