金剛石壓砧實(shí)驗(yàn)技術(shù)及其在激光Raman光譜中的應(yīng)用

1、金剛石壓砧實(shí)驗(yàn)技術(shù)及其在激光Raman光譜中的應(yīng)用論文摘要：介紹了激光Raman 光譜測(cè)量技術(shù)及其在科學(xué)中的應(yīng)用；重點(diǎn)介紹了金剛石對(duì)頂砧diamond anvil cell, DAC高壓實(shí)驗(yàn)技術(shù)及其與激光Raman 光譜測(cè)試方法相結(jié)合，為高壓下材料科學(xué)研究提供了一種有效途徑。論文關(guān)鍵詞：拉曼光譜,金剛石對(duì)頂砧,高壓實(shí)驗(yàn)一激光Raman光譜測(cè)量技術(shù)當(dāng)光照射到物質(zhì)上時(shí)會(huì)發(fā)生彈性散射和非彈性散射。彈性散射的散射光是與激發(fā)光波長(zhǎng)相同的成分，非彈性散射的散射光有比激發(fā)光波長(zhǎng)長(zhǎng)的和短的成分,這一現(xiàn)象統(tǒng)稱為拉曼Raman效應(yīng)。把頻率小于入射光頻率的譜線稱為斯托克斯線，而把頻率大于入射光頻率的譜線稱為反斯托克

2、斯線。拉曼散射是固體中的光學(xué)聲子等元激發(fā)與激發(fā)光相互作用產(chǎn)生的非彈性散射，起源于分子振動(dòng)(和點(diǎn)陣振動(dòng))與轉(zhuǎn)動(dòng)，因此從拉曼光譜中可以得到分子振動(dòng)能級(jí)(點(diǎn)陣振動(dòng)能級(jí))與轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)結(jié)構(gòu)的知識(shí)，同時(shí)拉曼頻率及強(qiáng)度、偏振等標(biāo)志著散射物質(zhì)的性質(zhì)，從這些資料可以導(dǎo)出物質(zhì)結(jié)構(gòu)及物質(zhì)組成成分的信息，這就是拉曼光譜具有廣泛應(yīng)用的原因。由于拉曼散射非常弱，強(qiáng)度大約為瑞利散射的千分之一,所以一直到1928年才被印度物理學(xué)家拉曼所發(fā)現(xiàn)。文獻(xiàn)中詳細(xì)介紹了幾種近代拉曼光譜分析技術(shù)。拉曼光譜技術(shù)是重要的現(xiàn)代分子光譜技術(shù)，廣泛應(yīng)用于物理、化學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)等諸多學(xué)科領(lǐng)域，是研究物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的有力工具。應(yīng)用Raman光譜分析

3、技術(shù)，可以對(duì)物質(zhì)進(jìn)行定性、定量的分析。二金剛石對(duì)頂砧diamondanvilcell,DAC高壓實(shí)驗(yàn)技術(shù)高壓實(shí)驗(yàn)技術(shù)是進(jìn)行高溫高壓極端條件下材料物性研究不可缺少的技術(shù)根底。目前,按照壓力產(chǎn)生方式的不同,高壓實(shí)驗(yàn)技術(shù)可分為靜態(tài)高壓和動(dòng)態(tài)高壓兩種類型。動(dòng)高壓是用脈沖加載原理產(chǎn)生超高壓的一種技術(shù),即利用爆炸或高速撞擊方法產(chǎn)生高壓或超高壓環(huán)境的條件,同時(shí)伴隨相應(yīng)的升溫。它以壓力、密度和溫度的急劇增加為前導(dǎo)。它的中心處于強(qiáng)烈的壓縮狀態(tài)，這種壓縮狀態(tài)稱之為沖擊壓縮;，這種沖擊壓縮;產(chǎn)生的瞬態(tài)高溫高壓經(jīng)常被用于人工合成超硬材料或用于固化粉狀物的技術(shù)。金剛石對(duì)頂砧高壓裝置diamondanvilcell,DA

4、C的創(chuàng)造是高壓技術(shù)開展中的一次革命。雖然人們很早就知道金剛石在的材料中具有最高硬度以及對(duì)X射線和絕大局部波長(zhǎng)的光線透明等優(yōu)異特性，但是將這些優(yōu)點(diǎn)第一次用于高壓實(shí)驗(yàn)，還是在1950年Lawson和Tang利用單晶金剛石作為對(duì)頂砧進(jìn)行的X射線衍射研究中。隨后的十多年間，研究人員相繼開展了金剛石對(duì)頂砧中的金屬封墊技術(shù)、紅寶石測(cè)壓技術(shù)以及甲醇乙醇或者甲醇乙醇水等混合液作為傳壓介質(zhì)的技術(shù)。正是由于這些技術(shù)的開展才使得金剛石對(duì)頂砧成為現(xiàn)代物理研究中產(chǎn)生靜態(tài)高壓的有效工具。金剛石對(duì)頂砧高壓裝置DiamondAnvilCell，DAC由一對(duì)金剛石對(duì)頂砧和一個(gè)帶有小孔的密封墊組成,其形狀如圖1a所示。金剛石對(duì)頂

5、砧由寶石級(jí)金剛石磨制而成，一般重量為0.1-0.5克拉。兩顆金剛石對(duì)壓的面稱為砧面，壓砧砧面的形狀為正十六邊或正八邊形，二砧面之間要求有高的平行度。其工作原理是將帶有小孔的密封墊放在兩塊相對(duì)放置的金剛石外表之間，兩塊金剛石的砧面和密封墊片的小孔其直徑約為100-300m就形成了樣品室，樣品、紅寶石和液體傳壓介質(zhì)放入樣品室內(nèi)圖1b。當(dāng)相互擠壓兩塊金剛石時(shí)，在樣品室中就會(huì)產(chǎn)生非常高的壓力。在加壓的過程中，必須保證兩塊金剛石的外表嚴(yán)格平行和精確的對(duì)中對(duì)稱軸重和，否那么金剛石將被壓碎。由于采用大質(zhì)量支撐原理，并且金剛石的砧面很小幾百個(gè)微米，因此很容易在樣品腔內(nèi)產(chǎn)生很高的壓力。這個(gè)裝置的特點(diǎn)是通過旋擰兩

6、組對(duì)稱的左右旋螺絲，依靠螺絲向下旋進(jìn)的推力使上面的金剛石向下面的金剛石擠壓，腔體的體積縮小，在樣品腔內(nèi)產(chǎn)生沿DAC軸向的壓力。圖.1(a)金剛石對(duì)頂砧結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1(a)Thesketchmapofthediamondanvilcell(DAC)圖.1(b)金剛石壓腔內(nèi)部頂砧結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1(b)Thesketchmapofanvilinthediamondanvilcell三金剛石對(duì)頂砧高壓實(shí)驗(yàn)技術(shù)與Raman光譜相結(jié)合測(cè)試方法金剛石不但具有最高的硬度而且具有良好的光譜透過性,對(duì)射線、X射線、紫外線、可見光直到遠(yuǎn)紅外線都具有良好的透明性，適合做高壓腔體的測(cè)量窗口，多種測(cè)試手段都可以

7、在金剛石對(duì)頂砧裝置中得到應(yīng)用，其中包括拉曼Raman光譜學(xué)研究。Raman光譜是表征物質(zhì)結(jié)構(gòu)及其變化的一種重要手段,DAC超高壓實(shí)驗(yàn)技術(shù)與激光Raman光譜測(cè)試方法相結(jié)合,為高壓下物質(zhì)結(jié)構(gòu)相變研究提供了有力手段。早在1968年，Brasch等人第一次在DAC中進(jìn)行了Raman散射研究。通過高壓下的拉曼光譜不僅可以獲得物質(zhì)在高壓下的聲子譜、電-聲相互作用以及晶格振動(dòng)的非簡(jiǎn)諧信息,還可以測(cè)量物質(zhì)的熔化曲線以及Mode-Grneisen參數(shù)、固-固相變、固-液相變、P-T相圖等。當(dāng)晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生固-固相變時(shí)，反映晶體結(jié)構(gòu)特征的外振動(dòng)譜線會(huì)發(fā)生明顯的變化。我們利用金剛石對(duì)頂砧高壓裝置，對(duì)CaSO進(jìn)行了高

8、壓原位Raman光譜的測(cè)量，通過高壓Raman光譜的變化，發(fā)現(xiàn)CaSO在壓力為1.8GPa時(shí)，發(fā)生了壓力導(dǎo)致的晶體結(jié)構(gòu)相變；通過對(duì)(MgFeCa)AlSiO的高壓原位Raman光譜和X射線衍射的測(cè)量，獲得了其Mode-Grneisen參數(shù)。參考文獻(xiàn)1 里佐威.近代Raman光譜技術(shù) 物理實(shí)驗(yàn),2001. 22: 3-7.3 Jayaraman A. Ultrahigh pressures . Rev Sci Instrum ,1986 ,57 :10131031.4 Xu J N , Mao H K, Bell PM. High pressure ruby and diamond fluore

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