2021年, 第33卷, 第1期　刊出日期：2021-03-10

  

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综述
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  拉曼光谱在二维材料微观结构表征中的研究进展

  董文龙, 刘璐琪

  光散射学报. 2021, 33(1): 1-15. https://doi.org/10.13883/j.issn1004-5929.202101001

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  二维材料由于其出色的电子、光学和热学特性而成为近年来的研究热点。随着二维材料研究深入,迫切需要一种能对二维材料结构和性能进行准确表征的技术。拉曼光谱作为一种快速,方便且无损的表征技术,在低维材料结构表征方面具有独特的优势。本文主要综述拉曼光谱在二维材料微观结构表征中的研究进展。通过对二维材料典型拉曼特征峰分析,讨论了拉曼光谱在二维材料层数、堆叠方式、晶格取向、缺陷和结构相变等信息测定方面的应用和进展情况。
表面增强拉曼散射技术
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  基于双硫腙修饰银纳米材料的铅离子循环表面增强拉曼检测

  郭艳艳, 田怀香, 李原婷, 李丹

  光散射学报. 2021, 33(1): 16-23. https://doi.org/10.13883/j.issn1004-5929.202101002

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  该研究以重金属铅离子(Pb²⁺)为研究对象,构建双硫腙修饰的银纳米颗粒,利用氧化-还原法和表面增强拉曼技术,成功实现了对铅离子的循环表面增强拉曼检测。该功能材料对铅离子的检测响应范围为1 nM~10 μM,检出限可达0.35 nM,将该方法用于实际环境水样中铅离子的检测,回收率为91.6%~106.8%,相对标准偏差在4.1%~7.9%之间。该方法具有操作简单、测定快速和可重复使用等特点,因而在环境样品中重金属离子快速检测方面具有巨大的应用前景。且该研究对环境中其他污染物的研究提供了重要的参考信息。
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  基于毛细管的金纳米棒与纳米哑铃组装结构SERS效应比较研究

  汪晓安, 沈薇, 余道洋, 董荣录, 唐祥虎

  光散射学报. 2021, 33(1): 24-31. https://doi.org/10.13883/j.issn1004-5929.202101003

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  本文介绍了基于毛细管的金纳米棒(Au nanorods, AuNRs)与金纳米哑铃(Au nanodumbbells, AuNDs)组装结构,并从灵敏性、均一性和重现性等角度对两种不同纳米单元构筑的基底进行了表面增强拉曼散射(surface-enhanced Raman scattering,SERS)效应比较研究。结果表明,合成前驱体和分散体系均相同基础上调控得到的两种纳米单元在表面配体交换处理与构筑工艺一致前提下的基于毛细管组装,AuNDs较AuNRs组装结构表现出更高的SERS活性,而两者的均一性和重现性相当。通过选择SERS效应相对显著的毛细管基AuNDs组装结构对实际水体中的孔雀石绿进行取样和SERS检测,检测能力达到2×10^-3 μg/g 量级,表明此策略对实际水体中微量孔雀石绿的快速高灵敏检测具有一定的可行性。
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  氧化铟锡纳米阵列中的协同增强拉曼散射现象研究

  司丽芳, 范兴策, 侯翔宇, 李国群, 龙开琳, 罗小光, 倪振华, 邱腾

  光散射学报. 2021, 33(1): 32-39. https://doi.org/10.13883/j.issn1004-5929.202101004

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  一些具有表面增强拉曼散射(Surface-enhanced Raman Scattering, SERS)性能的金属氧化物材料近年来被广泛研究,它们具有相较于传统贵金属材料更为优异的信号均匀度、材料稳定性和生物兼容性等。目前金属氧化物SERS的研究瓶颈在于拉曼增强效果一般,需要对其检测灵敏度进行有效提升方可实现日后的广泛应用。因为金属氧化物具有若干种区别于贵金属的材料特征,例如带隙、化学计量比、激子等多个维度的材料特性,所以金属氧化物可以通过调控若干种材料性能以达到协同增强拉曼散射的目的。本文选取氧化铟锡(Indium Tin Oxide, ITO)作为示例来研究重掺杂金属氧化物纳米阵列中的协同增强拉曼散射现象。该体系同时集成了重掺杂半导体材料的SERS性能以及光学干涉腔的特征,协同性地实现了ITO纳米阵列的SERS性能提升。该研究为金属氧化物SERS基底的研究提供了一个很好的案例,在对金属氧化物SERS材料性能进行提升时,需要对金属氧化物中可能产生的干涉现象进行有效利用。
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  三氧化二镓的高压拉曼光谱研究

  张峰, 陶雨, 唐琦琪, 吴彬彬, 刘珊, 雷力

  光散射学报. 2021, 33(1): 40-44. https://doi.org/10.13883/j.issn1004-5929.202101005

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  β-Ga₂O₃是一种宽禁带半导体材料(E_g=4.8 eV)。研究β-Ga₂O₃在高压(高应力)条件下的相稳定性和晶格动力学特性对其材料应用具有重要的参考价值。目前关于Ga₂O₃在高压下的晶格动力学特性研究较少,且Ga₂O₃的β→α的高压相变压力仍然具有争议。本工作采用基于金刚石压砧(DAC)的高压拉曼光谱技术研究了Ga₂O₃的高压拉曼光谱特性与相变行为。研究发现β→α高压不可逆相变发生在22 GPa。本工作给出了α-Ga₂O₃和β-Ga₂O₃各拉曼振动模的压力系数与格林艾森参数,并发现β-Ga₂O₃的高频和低频拉曼模在压力系数方面存在着较大的非谐特性。
材料中的应用
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  氧压强对Ga掺杂ZnO薄膜光电性质的影响

  马亚蕾, 许磊, 张元越, 韩崇, 曹培江, 潘跃武

  光散射学报. 2021, 33(1): 45-51. https://doi.org/10.13883/j.issn1004-5929.202101006

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  本文采用脉冲激光沉积(PLD)法在单晶硅(111)和石英玻璃衬底上制备了Ga掺杂ZnO(GZO)纳米薄膜,研究了氧压强对薄膜质量和光电性质的影响。采用XRD和SEM对薄膜的晶体结构和表面形貌进行了表征,结果表明纳米薄膜的平均粒径尺寸可以通过调整氧压强来控制,当氧压强为0.01 Pa时,薄膜的结晶质量最好。PL谱分析结果表明,反应气氛中适量的氧气可以有效降低缺陷密度,实现对GZO薄膜发光性质的调控。透射光谱分析结果显示,GZO薄膜在400~800 nm的平均光学透过率超过85%,具有良好的透光性能。霍尔测试结果表明氧压强为0.01 Pa时,GZO薄膜的电阻率最低为2.77×10^-4 Ω·cm,随着氧压强继续增加,薄膜的电阻率增加,载流子浓度和霍尔迁移率均降低。
化学和生物研究中的应用
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  三种含笑属植物花挥发物的原位显微拉曼光谱检测

  司民真, 李家旺, 杨永安, 李伦, 张川云, 张德清

  光散射学报. 2021, 33(1): 52-58. https://doi.org/10.13883/j.issn1004-5929.202101007

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  用油细胞原位拉曼光谱检测方法,直接获得了白兰花、深山含笑、黄花含笑油细胞的拉曼光谱,通过分析研究得出其主要挥发物。白兰花盛花油细胞中的主要挥发物为:芳樟醇、β-蒎烯、没药醇、香芹酮、α-松油烯、β-榄香烯。深山含笑盛花、花蕾油细胞中的主要挥发物为:甲氧基肉桂酸乙酯、对伞花烃、香茅醇。黄花含笑小花蕾、花蕾、盛花油细胞中的主要挥发物为:香芹酮、α-蒎烯、β-蒎烯、反式-反式-金合欢醇;对伞花烃、甲氧基肉桂酸乙酯、反式-反式-金合欢醇;甲氧基肉桂酸乙酯、反式-反式-金合欢醇。
光散射理论
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  Au@SiO₂核-壳层单晶八面体纳米棒光吸收性质的研究

  伊兆广, 吴庆春, 汪连城, 金远伟, 许生慧, 刘津升

  光散射学报. 2021, 33(1): 59-64. https://doi.org/10.13883/j.issn1004-5929.202101008

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  包覆材料改变了单一材料的力学、光学性质。利用离散偶极近似(Discrete Dipole Approximation, 简称 DDA)的方法,系统研究二氧化硅壳层、尺寸及形貌等因素对Au@SiO₂核-壳层单晶八面体纳米棒光学吸收谱峰值、峰位及其近场分布的影响。研究表明SiO₂壳层包覆的Au纳米棒的光学吸收谱同样表现为横向和纵向吸收峰。随着SiO₂壳层厚度增加,Au@SiO₂核-壳层单晶八面体纳米棒横向和纵向吸收缝的强度明显减弱,横向吸收峰的位置发生微小的蓝移,而纵向吸收峰位发生明显的红移。SiO₂壳层在提高纳米棒硬度的同时,改变光学吸收峰的峰值和峰位,削弱了Au核表面等离子体共振强度(Surface Plasma Resonance-SPR)。
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  基于Mie散射的带电粒子散射特性的研究

  王金虎, 蔡嘉晗, 谢槟泽, 王宇豪, 陈江, 朱颉

  光散射学报. 2021, 33(1): 65-71. https://doi.org/10.13883/j.issn1004-5929.202101009

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  基于Mie散射研究了带电粒子的散射特性,给出散射系数与表面电导率的关系,计算了不同面电导率粒子与非带电粒子的散射角,计算表明:对金属类粒子,带电后的散射影响不大;但带电介质类粒子如水球、冰球粒子,面电荷使面电导率达到一定量级时,对散射特性有明显的影响。与水球相比,冰球的散射系数振荡现象处于粒子尺度参数更大值,振幅更强,而当面电导率很大时,即携带更多电荷量时,两者散射效率近似相等,与同大小的金属球形粒子的散射效率接近。随着面电导率的增加,散射系数发生较大变化,但当电导率达到一定值时,散射系数趋于恒定。相对非带电粒子的散射,带电后粒子的散射系数减小,散射能量沿不同方向重新分布,后向散射强度增强,其他方向的散射强度减小。当冰球粒子与水球粒子面电导率大到一定程度时,其散射特性都接近等大金属粒子的散射特性。
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  Au-Ag合金纳米球壳的折射率传感特性分析与优化

  武盼盼, 帕尔哈提江·吐尔孙, 郑玉霞, 热米莱·阿卜来提

  光散射学报. 2021, 33(1): 72-78. https://doi.org/10.13883/j.issn1004-5929.202101010

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  基于Au纳米颗粒的稳定性、无毒性、生物相容性和Ag纳米颗粒优异的消光特性,Au-Ag合金纳米颗粒在生物传感中存在着潜在的应用价值。为了能找到传感性能更好的合金纳米颗粒,本文利用双层球Mie散射理论和介电函数尺寸修正模型定量研究了Au-Ag合金纳米球壳的尺寸参数对折射率灵敏度、半峰宽和品质因子的影响,获得了最佳品质因子和对应的优化尺寸。同时,本文研究了Au摩尔分数对最佳品质因子和优化尺寸的影响。结果发现,当Au摩尔分数x为0.5时,Au-Ag@SiO₂(Au-Ag@Vacuum)合金纳米球壳的最大品质因子为2.09(2.20),对应的内核半径和外壳厚度分别为22.3 nm(23.6 nm)和8.7 nm(6.9 nm)。当Au摩尔分数小于0.25时,Au-Ag合金纳米球壳的品质因子优于Au纳米球壳。随着Au摩尔分数的减小,品质因子增大,甚至是Au纳米球壳的2~3倍。此研究为Au-Ag合金纳米球壳在生物传感领域中的有效应用提供了理论指导。
其它光谱技术及应用
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  碳化硅光栅结构中的强吸收及热辐射调控

  鲍森, 王宗缇, 郑改革

  光散射学报. 2021, 33(1): 79-83. https://doi.org/10.13883/j.issn1004-5929.202101011

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  基于严格耦合波分析(RCWA)方法研究了红外光波与碳化硅(SiC)光栅结构间的相互作用,尤其是结构在10微米到14微米波段的吸收及热辐射特性。计算得到了光栅的吸收/发射谱,验证了表面声子共振的激发,分析了光栅周期、光栅深度、占空比和入射角度对吸收特性的影响。在横磁(TM)波入射下,光栅周期及深度的增加均导致吸收峰/发射峰的红移;占空比对辐射性能也会产生较大的影响,改变占空比,在光栅全反带出现了吸收峰,还影响着吸收峰位置及幅值;入射角度变大时,吸收谱/发射谱峰值呈现减小势态。本文的研究结果可以拓展到其它极化晶体材料中。
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  人工老化和自然老化大豆种子的红外光谱研究

  刘杰, 刘刚, 李姝洁, 邓子昂, 欧全宏, 时有明

  光散射学报. 2021, 33(1): 84-92. https://doi.org/10.13883/j.issn1004-5929.202101012

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  利用傅里叶变换红外光谱、二阶导数红外光谱结合二维相关红外光谱法,研究了人工老化和自然老化条件下的大豆种子。结果显示,两种老化条件下大豆种子的原始光谱整体相似,吸收峰强度出现了差异;在二阶导数红外光谱中,人工老化和自然老化条件下大豆种子中物质变化趋势趋于一致。两种老化大豆种子在1747和1693 cm^-1附近的吸光度随着老化程度的增加而增强的趋势;在1660,1549,1236 cm^-1附近整体为减弱趋势;在1610~1550 cm^-1附近呈现增加趋势;在1150~1100 cm^-1附近呈现减弱趋势,但在老化过程中均出现一定增强。二维相关红外光谱结果显示,未经老化处理的大豆种子的自动峰数目和位置相同,自动峰强度发生改变;自然老化条件下大豆种子随着老化程度的加深,自动峰的数量、强度和位置表现出明显差异;人工老化大豆种子随着老化程度的加深,自动峰的数目和位置差异不明显,强度变化较为明显。大豆种子在老化过程中脂类物质增加,蛋白质物质减少,糖类物质减少,酮/醛类物质增加,氨基酸增加,醇类物质、酚类物质发生变化。利用红外光谱法对人工老化和自然老化条件下大豆种子的研究结果表明,红外光谱法可以实现快速、方便的对两种老化大豆种子的光谱变化进行研究。
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  高压下低维有机-无机杂化钙钛矿MAPbI₃纳米立方块带隙调控及光学性能的研究

  王涛, 张华芳, 毛艳丽

  光散射学报. 2021, 33(1): 93-100. https://doi.org/10.13883/j.issn1004-5929.202101013

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  低维有机-无机杂化钙钛矿材料由于其独特的光电性能而受到广泛关注。本文利用金刚石对顶砧装置对不同尺寸的CH₃NH₃PbI₃(MAPbI₃)纳米立方块进行了高压研究。并探索了尺寸效应对MAPbI₃纳米立方块在高压下的光学性能的影响规律。高压原位紫外-可见吸收和荧光光谱结果显示,两种不同尺寸的MAPbI₃纳米立方块的带隙和光学性能出现了不同的变化规律。其中,小尺寸MAPbI₃纳米立方块,在0.25 GPa以下,带隙随着压力的增加一直减小,而对于大尺寸纳米立方块的带隙,在0.67 GPa以下,随着压力的增加持续增加。原位高压拉曼的测量和分析表明,尺寸效应与八面体[PbI₆]^4-和有机阳离子CH₃NH₃⁺间的相互作用有关。我们的研究结果为深入了解低维有机-无机杂化钙钛矿纳米晶的带隙调控和光学特性以及结构稳定性提供了研究依据,为提高有机-无机杂化钙钛矿电池的转化效率开辟了一种研究思路。