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拉曼光谱学——分子结构研究的方法

2020.10.23

　　拉曼光谱是一种散射光谱。拉曼光谱分析法是基于印度科学家C.V.拉曼（Raman）所发现的拉曼散射效应，对与入射光频率不同的散射光谱进行分析以得到分子振动、转动方面信息，并应用于分子结构研究的一种分析方法。现在，拉曼光谱的应用范围遍及化学、物理学、生物学和医学等各个领域，对于纯定性分析、高度定量分析和测定分子结构都有很大价值。

　　在过去的20多年中，新的纳米结构不断出现，相应的拉曼光谱研究也紧随着展开。利用普通拉曼光谱实验测量的纳米结构样品尺寸最大只有1000 nm，然而，拉曼散射光来自于物质中与原子和分子相关的对象，例如分子中的化学键和固体中的如声子、电子、磁振子、极化子等元激发。因此，拉曼光谱的研究对象是在原子和分子水平上的，这意味着纳米结构的拉曼光谱研究并没有受到样本的纳米尺度的影响，纳米材料的显微结构和内部运动的信息用拉曼光谱很容易直接得到，这也是拉曼光谱对纳米结构研究的优势。另一方面，由于拉曼光谱技术的不断进步，它的检测灵敏度提高了一百万倍以上，空间分辨率可以达到几个纳米，导致“历史”的拉曼仪器成为当今“流行”的实验仪器，而被广泛使用。

　　由于上述两方面原因，越来越多的非拉曼光谱学领域的学者加入到拉曼光谱研究队伍中来，特别是在纳米材料领域。同时，当今对纳米结构的研究热情，也使原先拉曼光谱领域的许多学者也加入到纳米结构拉曼光谱学研究的行列中。这两个群体往往分别缺乏拉曼光谱和纳米结构的知识。加之，这两个群体也希望了解纳米结构拉曼光谱的基本特征、发展和最新状态。显然，这就需要有一些相关的图书，能够提供目前的拉曼光谱、纳米结构和纳米结构拉曼光谱相关的基本知识，这样人们就可以在“前人的肩膀”上较快的到达科学和技术的前沿水平。这本书的出版就是希望它确实能满足上述需求。

　　张树霖：北京大学物理学院教授、国际拉曼光谱学大会国际执委会终身委员。1985—1986年和2003年曾先后受聘为美国伊利诺大学和美国能源部材料研究实验室的客座副教授和香港中文大学的杨振宁讲座学者。1978年起利用自组建的激光拉曼光谱仪开始拉曼光谱学研究。1985年后集中于低维纳米结构拉曼光谱学研究。2004年，其“若干低维材料的拉曼光谱学研究”获国家自然科学二等奖。在自制的当时世界上最小的商品激光拉曼光谱仪RBD—Ⅱ的基础上，在我国首先开设了近代物理实验课《振动拉曼光谱》。2009年起，先后在中国科学院和北京大学开设了《拉曼光谱学基础》课。2016年第25届国际拉曼光谱学大会授予他“拉曼终身成就奖（Raman Lifetime Award）”

　　从20世纪70年代后期，北京大学物理学院的张树霖教授开始了拉曼光谱学的研究工作。由于当时有限的科研经费，他的研究工作开始于需要在一个过时的棱镜光谱仪基础上开发出一个激光拉曼光谱仪器。结果，它被成功地研制出来。开发成功一方面标志着在中国的实验室有了第一台激光拉曼光谱仪，同时也使张树霖教授得到了第一手的实验技术。使其能够通过以自制的元件取代进口商业大型拉曼光谱仪的光学元件，如样品光路和原有的数据采集和处理系统，来改造大型商业拉曼光谱仪，提高原先的商业拉曼光谱仪的性能，例如，可以在3~120 频率范围的既极低波数又宽光谱范围内测量拉曼光谱。这些成果也为后来高水平的纳米结构拉曼光谱研究打下了一个良好的技术基础。1985年，张树霖教授作为伊利诺伊大学香槟分校克莱因研究组的访问学者和美国能源部材料研究实验室的客座副教授，将其研究工作转向了超晶格的拉曼光谱学研究。在二十个世纪的最后几十年，张树霖教授一直没有离开这个领域，因此他见证了许多里程碑式的纳米结构的诞生，如多孔硅、碳纳米管、纳米金刚石颗粒、极性半导体SiC纳米棒、纳米ZnO等，并在纳米结构拉曼光谱领域留下他的足迹。当拉曼光谱仪器逐渐流行时，越来越多的人加入到拉曼光谱研究的行列，同时也迫切想学习和了解拉曼光谱学的基本原理。因此，从上世纪90年代开始，张树霖教授经常被邀请去各学术单位作演讲。例如， 1998年之后，两年一届的国际拉曼光谱学大会邀请他就纳米半导体拉曼光谱学成果作了六次邀请报告。此外，还应邀作了一些评述性的学术报告。在上述工作基础上，张树霖教授于2008年出版了一本关于拉曼光谱和纳米半导体的中文书“拉曼光谱学与低维纳米半导体”，并于2009年应邀在中国科学院研究生院讲授了一学期“拉曼光谱学基础”的研究生课程。

　　由于上述工作的基础，张树霖教授接受了威利（Wiley）出版社基于其他科学家推荐的邀请，撰写了英文专著《拉曼光谱学及其在纳米结构中的应用》。北京大学出版社将这本书分成上下两册译成中文版出版，并邀请张树霖教授撰写专著《拉曼光谱仪的科技基础及其构建和应用》。相信这三本书可以帮助有志研究拉曼光谱学的学者尽快到达科学和技术的前沿水平。

拉曼光谱

北大出版社

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