拉曼光譜儀氧化亞銅納米線的拉曼光譜研究

氧化亞銅為一價銅的氧化物，是鮮紅色粉末狀固體，幾乎不溶于水，在酸性溶液中化為二價銅。它是一種重要的P型半導體材料，禁帶寬度僅為2.1eV，光電轉換效率可達到18%。1998年氧化亞銅被發現可作為催化劑在陽光下將水分解成氫氣和氧氣，證明是一種極具前景的光催化氧化材料。現今，隨著納米材料的發展，不僅已經制備各種尺寸及形貌的氧化亞銅微納米結構，還提出了多種形貌控制理論，如量子點、納米線、納米片、納米球、多面體、空心結構等。納米級的Cu₂O還具有獨特的光學和磁學性質，在光電轉換、工業催化和氣體傳感器等方面也得到了廣泛的應用。

     拉曼光譜是通過散射光來獲得分子振動、轉動情況，從而了解分子的結構、對稱性、電子環境和分子結合情況，常用于定量和定性分析物質的結構與組成。近年來，拉曼光譜逐漸被應用到文物表面顏料的無損檢測與鑒定工作中，通過材料的拉曼光譜可以了解晶體內部有關化學鍵、晶化程度、晶格畸變、相變等信息。本文主要分析摻雜后對氧化亞銅拉曼光譜的影響。
理論
     光電實驗表明，摻雜有時會顯著能提高Cu₂O納米管陣列電極的光電轉換性能，因此，本文主要分析Cu₂O納米線摻雜具有半導體性質物質Zn制成的復合材料的拉曼光譜特性。通過判斷摻雜與尺寸變小引起晶體結構變化對晶體內部振動模式的影響，這些結果可以指導考古學家在使用拉曼檢測技術鑒定文物表面的化學成分時得到更為準確和全面的結果。

氧化亞銅具有簡單立方晶格，屬于 空間群。每個晶胞包含兩個氧化亞銅分子，如圖中的晶胞插圖所示。

     理論上，對于完美的赤銅礦型氧化亞銅晶體，在它的六個振動模式中，只有 具有拉曼活性。實際上，由于缺陷的存在，不僅本征峰的強度可能極低甚至被掩蓋，非拉曼活性的振動模式也可以被激發出來，不同結構和狀態的氧化亞銅可以表現出不同的拉曼特性。在已有的氧化亞銅拉曼光譜的文獻報道中，熔融冷卻、高溫氧化等方法制備出的單晶氧化亞銅樣品與鏈狀空心球氧化亞銅就具有截然不同的拉曼響應性質，可以歸結為晶體生長過程的定向連接導致的晶體缺陷。

Cu2O納米線拉曼光譜分析
實驗設備與參數 試驗設備：Finder Vista顯微共聚焦拉曼光譜儀系統；激光器波長為532nm； Cu2O納米線的結構如下圖所示：

拉曼光譜分析
拉曼結果如下圖所示：	從氧化亞銅納米線的拉曼光譜可以分析，Cu2O納米的拉曼 高峰位于45、65、513與1044cm-1處，在150和224 cm-1、 438、738、903和945 cm-1也存在拉曼特征峰。與查閱文獻對比分析發現，150、227、513、903 cm-1為Cu2O納米線的拉曼特征峰。150 cm-1處的振動是紅外活性模式，可以歸屬到由氧缺陷激發的 模式，227 cm-1分屬于二階倍頻 振動模式。 ZnO的拉曼特征峰位于437cm-1，通過測試到的438cm-1拉曼光譜特征峰可以推測，摻雜Zn元素后，Zn與O元素形成了ZnO結構。

結論      與微米級的材料相比，納米多級氧化亞銅因其微觀結構的顯著缺陷和宏觀結構的表面重構而表現出新穎獨特的拉曼光學性質。尺寸變小引起晶體結構變化對晶體內部振動模式的改變影響很大，反映到拉曼光譜體現為振動峰位、峰強和振動峰的個數都發生了變化。本文在氧化亞銅上觀察到的現象也可以同樣應用到其他典型的氧化物顏料上，如PbO、MnO等。這些結果可以指導考古學家在使用拉曼檢測技術鑒定文物表面的化學成分時得到更為準確和全面的結果。同時也為納米材料具備體相材料所不具備的特殊性質這一結論作出了直觀的闡述。

【本文作者】：分析儀器事業部（AID）應用研發部 張麗文工程師、蔡宏太工程師

參考文獻

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