Группа спектральных исследований
 |
Спектроскопия комбинационного рассеяния света находит широкое
применение:
- В материаловедении для быстрой идентификации и исследования любых типов неорганических и органических материалов и соединений
- В нанотехнологии для исследования полупроводниковых наноструктур (низкоэнергетические электронные возбуждения), графена (определение числа графитовых монослоев в образцах), углеродных нанотрубок (быстрая структурная идентификация нанотрубок) и т.д.
- В гемологии, минералогии (изучение драгоценных камней, минералов)
- В органической химии (изучение механизмов реакций и характеризации продуктов химического синтеза)
- При разработке и контроле различных производственных процессов
- При проведении криминалистической и таможенной экспертиз
- В фармацевтике и косметологии при разработке и контроле производства таблетированных форм и кремов
- В биологии для изучения микроорганизмов, клеточных культур, тканей и природных волокон
Спектры комбинационного рассеяния света чрезвычайно чувствительны к
природе химических связей - как в органических молекулах и полимерных
материалах, так и в неорганических кристаллических решетках и кластерах. По
этой причине каждое определенное вещество, каждый материал обладает своим
собственным, индивидуальным спектром, который является, по существу, аналогом
'отпечатка пальцев'. Подобные 'отпечатки пальцев', однажды полученные, в
дальнейшем могут применяться для:
- Химической идентификации веществ
- Изучения морфологии и фазового состава различных образцов
- Измерения размера наночастиц
- Исследования распределения напряжений, дислокаций, измерения степени структурного беспорядка в различных твердых веществах
Спектроскопия комбинационного рассеяния света или Рамановская спектроскопия
- раздел оптической спектроскопии, изучающий взаимодействие монохроматического излучения с веществом, сопровождающееся изменением энергии рассеянного излучения по сравнению с энергией возбуждающего излучения. Комбинационное рассеяние (КР) обусловлено неупругими столкновениями фотонов с нейтральными возбуждениями исследуемого вещества. В результате, частота рассеянного света может как уменьшаться (при этом энергия переходит от света к веществу - это Стоксово рассеяние), так и увеличиваться (при этом энергия переходит от вещества к свету - это Анти-Стоксово рассеяние). Характерным примером рамановского рассеяния является неупругое рассеяние света на колебательных и вращательных возбуждениях одиночных молекул. Молекула, находящаяся в невозбужденном состоянии с энергией Е0, под действием кванта с энергией hv0 (h-постоянная Планка, v0-частота падающего кванта) возбуждается в промежуточное (виртуальное) состояние, откуда может либо вернуться в исходное состояние, испустив квант hv0 (рэлеевское рассеяние), либо перейти в возбужденное состояние испустив квант h(v0- vi), что приводит к появлению в спектре рассеянного излучения линий с частотами v0- n i (стоксовые линии). Если до поглощения фотона молекула находилась в возбужденном состоянии, то после рассеяния света она может перейти в основное состояние. Тогда энергия рассеянного света возрастает, составляя h(v0+ni), что приводит к появлению в спектре линий с частотами v0+ni (антистоксовые линии). Стоксовые и антистоксовые линии располагаются симметрично относительно рэлеевской линии и образуют спектр комбинационного рассеяния; при этом сдвиги частот v i для большинства молекул имеют значения 10 - 4000 см-1 и совпадают с частотами молекул, наблюдаемыми в спектрах инфракрасного (ИК) поглощения. Спектр КР, как правило, представляет собой колебательный спектр. В области малых частот могут проявляться переходы между вращательными уровнями (вращательные спектры КР).
 |
Рис. 1. Схема энергетических уровней, иллюстрирующая основные принципы КР. Энергия возбуждающего света hv0, стоксовая линия КР имеет энергию h( v0 -vi), а антистоксовая - h(v0 + vi).
 |
Рис. 2. Характерный спектр комбинационного рассеяния света.
При низкой температуре стоксовые компоненты значительно интенсивнее антистоксовых, поскольку большинство молекул находится в невозбужденном состоянии, однако при повышении температуры интенсивность антистоксовых линий растет из-за частичного теплового заселения возбужденных состояний молекулы.
В общем случае процесс рассеяния света конкурирует с процессом его поглощения. При поглощении излучения молекула переводится в низшее возбужденное электронное состояние. Обратный переход в основное состояние может быть либо полностью безизлучательным, либо сопровождаться излучением света меньшей частоты. Такое излучение называется фотолюминесценцией. Линии фотолюминесценции значительно интенсивнее линий КР. Таким образом, при помощи спектрометра КР, оснащенным подходящим детектором, можно одновременно в одной точке получать спектр КР и спектр фотолюминесценции. Однако, в некоторых случаях, спектр фотолюминесценции может накладываться на спектр КР, что является нежелательным эффектом. Ниже приведен условный спектр КР/фотолюминесценции окрашенного полимера, сильно флуоресцирующего в видимой и ближней ИК области при облучении светом в УФ и видимом диапазонах. В подобных случаях, как правило, стараются подбирать частоту возбуждающего излучения таким образом, чтобы избежать появления интенсивной фотолюминесценции. Одним из вариантов является применение для возбуждения КР источников излучения в ближнем ИК диапазоне.
Рис. 3. Спектры КР/фотолюминесценции окрашенного полимера, сильно флуоресцирующего в видимой и ближней ИК области при облучении светом в УФ и видимом диапазонах.
Спектр КР большинства органических молекул состоит из линий, отвечающих деформационным и валентным колебаниям химических связей углерода (С) с другими элементами, как правило, водородом (H), кислородом (O) и азотом (N), а также характеристическим колебаниям различных функциональных групп (гидроксильной -OH, аминогруппы -NH2 и т.д.). Эти линии проявляются в диапазоне от 600 см-1 (валентные колебания одинарных С-С связей) до 3600 см-1 (колебания гидроксильной - OH группы). В отличие от ИК спектра, в котором проявляются линии, отвечающие колебательным переходам с изменением дипольного момента, в спектре КР проявляются линии, отвечающие колебательным переходам с изменением поляризуемости молекулы. Таким образом, ИК и КР являются не исключающими, а взаимно дополняющими спектрометрическими методами.
В отличие от комбинационного рассеяния света на отдельных молекулах свет в кристаллах рассеивается на коллективных возбужденных всего кристалла. В спектрах КР ионной подсистемы кристалла присутствуют линии оптических и акустических фононов - коллективных колебаний решетки, а в спектрах КР электронной подсистемы присутствуют линии плазмонов - коллективных колебаний электронного заряда, магнонов - коллективных колебаний электронного спина и т.д. Огромное количество новых коллективных возбуждений обнаружено с помощью КР спектроскопии в низкоразмерных полупроводниковых и металлических системах, при этом большинство таких возбуждений не имеет прямых аналогов в обычных веществах.
Рамановский спектрометр 3S
Рамановский спектрометр 3 S создан на основе двойного спектрометра Ramanor производства компании HORIBA Jobin Yvon и одинарного спектрометра Spec. Созданный коллективом Лаборатории Неравновесных Электронных Процессов ИФТТ РАН этот спектрометр имеет рекордные характеристики для тройных спектрометров, что позволяет ему конкурировать с тройным спектрометром от HORIBA Jobin Yvon T64000. Основным достоинством 3S является то, что он состоит из двух независимых частей со световодным сопряжением. Причем в первой части - двойном спектрометре, работающем в режиме вычитания дисперсий, использованы дифракционные решетки эллиптической формы. Решетки выполняют одновременно функцию диспергирующих элементов и параболических зеркал, что позволяет уменьшить общее число отражающих поверхностей до семи, а коэффициент пропускания прибора поднять до 0.2. Проблема настроек и механической защищенности также существенно упрощается, поскольку оптическое соединение выхода модуля вычитания дисперсий и входа модуля третьего спектрометра осуществляется при помощи гибкого световода. При этом стабильность работы спектрометра существенно повышается и перестает быть критичной к точности совмещения выхода двойного спектрометра и входа одиночного спектрометра.
Технические характеристики:
- фокальная длина: 3 x 1 м
- Подавление рассеянного лазерного света 1014 при сдвиге от линии лазера 5см-1
- Линейная дисперсия 4 А/мм
Лазер с кольцевым резонатором Матисс ТМ
 |
Лазер с кольцевым резонатором Матисс ТМ является уникальным прибором для выполнения исследований в области спектроскопии комбинационного рассеяния света.
Технические характеристики:
- Спектральная ширина лазерной линии 10 МГц
- Инваровое основание позволяет поддерживать долговременную стабильность интенсивности и неизменность частотных характеристик лазерного луча
- Возможность перестройки длины волны лазерного излучения в широких пределах (700-850 нм)
Комбинация лазера Матисс ТМ и тройного спектрометра позволяет проводить исследования частотных характеристик рассеянного света в спектральном диапазоне предельно близком к частоте возбуждающего лазера ( вплоть до 1 см-1 от лазерной линии) и изучать дисперсионные зависимости низкоэнергетических возбуждений в полупроводниковых структурах пониженной размерности.
Кулик Леонид Викторовичд.ф.-м.н., старший научный сотрудник, тел.: +7(496)522-44-18 e-mail: kulik@issp.ac.ru |
 |
 |
Кирпичев Вадим Евгеньевичк.ф.-м.н., научный сотрудник тел.: +7(496)522-44-31 e-mail: kirpich@issp.ac.ru |
Ваньков Александр Борисовичстарший научный сотрудник, к.ф.-м.н. тел.: +7(496)5222-44-31 e-mail: vankov@issp.ac.ru |
 |
 |
Журавлев Андрей Сергеевичнаучный сотрудник, к.ф.-м.н. тел.: +7(496)552-44-31 e-mail: and.zhur@gmail.com |
Тартаковский Илья Иосифовичд.ф.-м.н., ведущий научный сотрудник ИФТТ РАН, тел.: +7(496)522-29-43 e-mail: tartakov@issp.ac.ru |
 |
 |
Максимов Андрей Анатольевичк.ф.-м.н., старший научный сотрудник ИФТТ РАН тел.: +7(496)522-53-09 e-mail: maksimov@issp.ac.ru |
Рамановские исследования Лаборатории Неравновесных Электронных Процессов ИФТТ РАН связаны, главным образом, с изучением коллективных электронных возбуждений в низкоразмерных электронных системах. Список основных публикаций приведен ниже:
L. V. Kulik, I. V. Kukushkin, V. E. Kirpichev, K. v. Klitzing and K. Eberl, "Interaction between intersubband Bernstein modes and coupled plasmon-phonon modes", Phys. Rev. B 61, 12717 (2000).
L. V. Kulik, I. V. Kukushkin, V. E. Kirpichev, K. v. Klitzing and K. Eberl, "Modification of the intersubband excitation spectrum in a two-dimensional electron system under perpendicular magnetic field", Phys. Rev. Lett. 86, 1837 (2001).
L. V. Kulik, I. V. Kukushkin, V. E. Kirpichev, J. H. Smet, K. v. Klitzing and W. Wegscheider, "Cyclotron spin-flip excitations in the extreme quantum limit", Phys. Rev. B 63, 201402(R) (2001).
L. V. Kulik, I. V. Kukushkin, V. E. Kirpichev, D. V. Kulakovskii, K. v. Klitzing, and K. Eberl, "Pseudomomentum of a dipole in a two-dimensional system", Phys. Rev. B 66, 073306 (2002).
S. V. Tovstonog, L. V. Kulik, I. V. Kukushkin, A. V. Chaplik, J. H. Smet, K. v. Klitzing, D. Shuh, and G. Abstreiter, "Acoustical and Optical Magnetoplasma Excitations in a Bilayer Electron Electron System", Phys. Rev. B 66, 241308(R) (2002).
L. V. Kulik, S. V. Tovstonog, V. E. Kirpichev, I. V. Kukushkin, W. Dietsche, M. Hauser, and K. v. Klitzing, 'Symmetry driven plasmon transformations in a bilayer electron system", Phys. Rev. B 70, 033304 (2004).
L. V. Kulik, I. V. Kukushkin, S. V. Tovstonog, V. E. Kirpichev, V. E. Bisti, W. Dietsche, M. Hauser, and K. v. Klitzing, 'Dipole excitations in a bilayer electron system in a parallel magnetic field", Phys. Rev. B 71, 165303 (2005).
L. V. Kulik, I. V. Kukushkin, S. Dickmann, V. E. Kirpichev, A. B. Van'kov, A. L. Parakhonsky, J. H. Smet, K. von Klitzing, and W. Wegscheider, "Cyclotron spin-flip mode as the lowest-energy excitation of unpolarized integer quantum Hall states", Phys. Rev. B 72, 073304 (2005).
A. B. Van'kov, L.V. Kulik, I.V. Kukushkin, V. E. Kirpichev, S. Dickmann, V. M. Zhilin, J. H. Smet, K. von Klitzing, and W. Wegscheider, "Low-Magnetic-Field Divergence of the Electronic g Factor Obtained from the Cyclotron Spin-Flip Mode of the n = 1 Quantum Hall Ferromagnet", Phys. Rev. Lett. 97, 246801 (2006).
A. S. Zhuravlev, A. B. Van'kov, L.V. Kulik, I.V. Kukushkin, V. E. Kirpichev, J. H. Smet, K. von Klitzing, V. Umansky, and W. Wegscheider, "Inelastic light scattering study of the nu =1 quantum Hall ferromagnet', Phys. Rev. B 77, 155404 (2008).
L. V. Kulik, S. Dickmann, I. K. Drozdov, A. S. Zhuravlev, V. E. Kirpichev, I. V. Kukushkin, S. Schmult, and W. Dietsche, 'Antiphased cyclotron-magnetoplasma mode in a quantum Hall system', Phys. Rev. B 79, 121310(R) (2009).
A. B. Van'kov, L. V. Kulik, S. Dickmann, I. V. Kukushkin, V. E. Kirpichev, W. Dietsche, and S. Schmult, 'Cyclotron Spin-Flip Excitations in a ν=1/3 Quantum Hall Ferromagnet', Phys. Rev. Lett. 102, 206802 (2009).