拉曼光譜（Raman Spectroscopy）是一種基于拉曼散射原理的光譜分析技術?拉曼散射是光子與物質分子發生非彈性散射的過程?光子與分子相互作用后?散射光子的能量發生變化?這種能量的變化反映了分子振動?旋轉等內部運動的信息?
拉曼光譜的基本原理是拉曼效應（Raman Effect）?這一效應由印度物理學家C.V.拉曼于1928年發現并以其名字命名?當入射光子（通常為單色光，如激光）照射到樣品時?大部分光子會發生彈性散射（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或旋轉能級相互作用?導致散射光子的能量發生變化?產生頻率不同于入射光的散射光?這種現象即為拉曼散射?[1]
拉曼光譜通過測量這些頻率的變化（即拉曼位移）?可以得到樣品的分子振動和旋轉信息?從而對分子的結構和成分進行分析?
拉曼光譜在科學研究和工業應用中具有重要作用?主要包括以下幾個方面￤
1. 分子識別和結構分析￤拉曼光譜可以提供關于分子振動模式的信息?這對于識別分子和確定其化學結構非常有用。每種分子都有其特定的拉曼光譜?可以視作分子的“指紋”?
2. 材料科學研究￤拉曼光譜用于研究材料的晶體結構?缺陷?應力/應變狀態等。例如?石墨烯和碳納米管的拉曼光譜可以揭示其層數?質量和導電性?
3. 化學反應監測￤通過實時監測化學反應過程中分子結構的變化?拉曼光譜可以用于研究反應機理?反應速率和反應路徑?
4. 生物醫學應用￤拉曼光譜能夠無損檢測生物組織和細胞?應用于疾病診斷?藥物研究和生物標志物的檢測?例如?用于癌癥細胞的檢測和分類?
5. 環境監測￤拉曼光譜可以檢測和分析環境中的污染物?如水中的重金屬離子?空氣中的有害氣體等?
6. 工業過程控制￤在制藥?石化等行業中?拉曼光譜用于在線監測和控制生產過程中的化學成分?確保產品質量?
在低溫/變溫條件下進行拉曼光譜測試的好處有：提高光譜分辨率?在低溫環境下?分子的熱運動顯著減少?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?從而提高拉曼信號的可見性和檢測靈敏度；增強信噪比?低溫環境能夠降低熱噪聲?提升信噪比；研究量子效應?低溫環境下?量子效應變得更加顯著?特別是在固態物理和納米材料研究中?低溫拉曼光譜能夠揭示量子點?納米管等材料中的量子效應和聲子行為?提供關于其電子結構和光學性質的重要信息……
所以?拉曼光譜在化學與材料科學?生命科學與醫學?環境科學?食品科學?藝術與考古以及工業應用等領域有廣泛應用?包括納米材料?高分子材料?半導體?疾病診斷?藥物研究?水質分析?大氣監測?土壤分析?質量控制?食品安全等。工業應用包括過程監控和產品質量檢測?
以二維材料的低溫拉曼光譜測試為例?隨著納米科技的飛速發展?二維材料因其獨特的物理性質和廣泛的應用前景?已成為材料科學研究的熱點?其中?二維過渡金屬二硫族化合物（TMDs）如MoS2?以其優異的電學?光學和熱學性能?在納米電子器件領域展現出巨大的潛力?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）異質結構?具有緊密的二維異質界面?這種結構不僅保留了MoS2和RGO各自的優異性能?還通過界面效應產生了新的物理特性。這種異質結構為納米電子器件的發展提供了新的可能?然而?為了充分理解并優化這些材料的性能?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?拉曼光譜與低溫設備HCS的聯用方案為我們提供了強大的工具?具體方案如圖1所示?
圖1 HCS與拉曼光譜聯用測試系統
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納米片的振動峰值?隨著溫度的升高?E12g和A1g振動峰位的紅移呈現出線性依賴性?在低溫下?峰位的變化表現出偏離線性溫度依賴性的趨勢?本文使用以下方程對數據進行擬合?并提取了兩個樣本的E12g和A1g模式溫度系數?這些系數可用于進一步研究材料在不同溫度下的熱力學和動力學性質?
圖2 78K和543K下單層MoS2和MoS2/RGO混合物的拉曼光譜
為實現低溫/變溫場景的測試?通過冷熱臺（HCS-1L）和拉曼光譜儀的光路匹配設計?保持原有光學測試的完整性?匹配原有的樣品運動平臺?又實現樣品在78-800K的可控范圍內?武漢光谷薄膜技術可提供全套解決方案!
冷熱臺（HCS-1L）是能夠提供很好的溫度梯度和高穩定性的溫度場?具有78--800K的寬溫度范圍?0.1K的高精度控溫等特性?并可以為客戶設計定制化樣品臺?匹配客戶檢測設備?可實現在低溫下或變溫下電學?磁學?電磁學?光學?光電學?熱力學?力學?聲學等性能測試。
[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.
