拉曼光谱毕业论文题目

材料在合成或加工过程中会有意或无意地引入一些结构缺陷，此外由于熵对系统自由能的贡献，缺陷也可在有限温度下自发地出现。不同缺陷可能对材料性能产生有利或有害的影响。如，外来杂质可以增加载流子浓度，但同时引入的额外散射过程又会降低其迁移率。缺陷设计还可开发出新技术，如可用点缺陷作为量子信息领域中的单光子发射器或量子位主机。随着新材料的发现，缺陷对于工程师和科学家而言，仍然是活跃而重要的研究领域。而现在，这似乎与诸如石墨烯和过渡金属二硫化物（TMD）等二维（2D）材料特别相关。由于2D材料比表面积大，因而多数原子暴露在表面并与周围环境接触。2D材料因与反应物存在相互作用，不仅缺陷浓度远大于块体系统，且缺陷调控也更加容易。缺陷类型的确定可以通过拉曼光谱实现，然而缺陷类型或浓度与拉曼特征变化之间的定量关系难以建立，是一个普遍存在的难题。

来自芬兰阿尔托大学应用物理系的Hannu-Pekka Komsa领导的团队，构建了基于经验势和第一性原理计算的组合方法，可用于模拟缺陷材料的拉曼光谱，其中经验势用于评估缺陷系统的振动模式，然后与第一性原理计算得到的拉曼张量进行结合。他们研究了在何种程度上可以区分空穴类型，并提供随缺陷浓度变化时拉曼光谱演化的起源分析。这种方法不仅能可靠地模拟拉曼光谱，还可深入了解缺陷系统中振动模式的物理内涵，以及如何用拉曼光谱对它们进行探测。作者利用该方法研究了单层MoS2中的空位缺陷，捕获了缺陷对突出峰位移和不对称展宽的影响，其结果与实验数据定性一致。此外，他们使用声子局域模型来拟合其模拟的拉曼光谱，以评估该模型在缺陷材料中的适用性。结果发现，当同时考虑完整的声子色散关系和局域类型时，该模型非常有效。通过本研究发现，只要有适当的经验势，就可以有效地评估缺陷系统的拉曼光谱。

该文近期发表于 npj Computational Materials 6 : 59 (2020)，英文标题与摘要如下，点击可以自由获取论文PDF。

Simulating Raman spectra by combining first-principles and empirical potential approaches with application to defective MoS2

Zhennan Kou, Arsalan Hashemi, Martti J. Puska, Arkady V. Krasheninnikov & Hannu-Pekka Komsa

Successful application of two-dimensional transition metal dichalcogenides in optoelectronic, catalytic, or sensing devices heavily relies on the materials’ quality, that is, the thickness uniformity, presence of grain boundaries, and the types and concentrations of point defects. Raman spectroscopy is a powerful and nondestructive tool to probe these factors but the interpretation of the spectra, especially the separation of different contributions, is not straightforward. Comparison to simulated spectra is beneficial, but for defective systems first-principles simulations are often computationally too expensive due to the large sizes of the systems involved. Here, we present a combined first-principles and empirical potential method for simulating Raman spectra of defective materials and apply it to monolayer MoS2 with random distributions of Mo and S vacancies. We study to what extent the types of vacancies can be distinguished and provide insight into the origin of different evolutions of Raman spectra upon increasing defect concentration. We apply our simulated spectra to the phonon confinement model used in previous experiments to assess defect concentrations, and show that the simplest form of the model is insufficient to fully capture peak shapes, but a good match is obtained when the type of phonon confinement and the full phonon dispersion relation are accounted for.

据统计，1928年，即拉曼公布其发现的当年，就有58篇与拉曼效应有关的论文发表；第二年，论文增加到了175篇。在效应发现后的头十年中，有关此课题的论文总数超过了2000篇，所研究的各种化合物多达2500余种。1962年，由于激光技术的问世，拉曼效应的研究获得了单色性极好、方向性强和功率很大的理想光源。从此拉曼光谱学更成为一门用途广泛的权威性技术。例如：有人统计，在1977~1982的五年当中，《化学文摘》上标题中有“拉曼”一词的论文共计10384篇，拉曼光谱研究的重要性和广泛性由此可见一斑。由于这项发现，拉曼于1930年被授予诺贝尔物理学奖。获奖的消息是加尔各答一家新闻机构用电话通知拉曼的，当时，拉曼正在实验室工作。他的一名学生接了电话后，激动地冲进实验室向他报告了这一消息。拉曼的反应相当平静，他只问道：“是我独享，还是必须与陌生人分享?”当然，拉曼是唯一获奖人。值得一提的是，拉曼也是亚洲国家第一位获得这一荣誉的科学家。

拉曼是亚洲人民值得自豪的科学家，他在20年代还很落后的环境中为科学的发展作出了杰出的贡献。这首先是源于他对科学的挚爱和踏实的科学态度。他说过：“在寻求你所没有的之前，充分利用你所有的”。“科学的精华是依靠思索和勤勉，而不是设备”。他用自己的一生证明了那种“胜利的精神、在阳光下把我们带到正确地方的精神，以及作为一个文明古国的后裔，必须而且必然在这个行星上找到我们正确位置的精神。”

作为实验物理学家，拉曼更趋向古典和自然，他经常向人表示：大自然就是他的实验室，发现拉曼效应就始于对大海颜色的探索。水天一色、蔚蓝苍茫的大海深深地震动了他的心灵，在这看似平淡无奇的大自然面前，他突然对海水为什么是蓝色这个问题产生了强烈的兴趣，他甚至等不到回国，就开始在轮船上着手探索起这个奥秘来，这是他进行可见光散射问题研究的开始，也可以说是日后发现拉曼效应的契机。拉曼在科学上的其他研究对象，如乐器、宝石和鲜花等，无不与大自然密切相关。这一点是他与印度的另一位物理学大师萨哈十分不同的地方。

在处理研究成果的方式上，更表现出拉曼超凡的洞察力和良苦用心。拉曼关于这一问题的头三篇论文都是用电报寄给《自然》杂志发表的，这既表明他清楚地意识到这项发现的重大意义，更证明他对发现的优先权问题也相当重视。这确实不是杞人忧天。事实上，早在1923年，斯麦克尔就曾预言过通过观察散射光来检测分子振动迁移的可能性。几乎与拉曼同时，巴黎的物理学家罗卡甚至已经进行过有关散射的理论研究，并在某种程度上预言了拉曼效应的存在，只是因为缺乏实验证据，才推迟了论文的发表。罗卡的同事卡班斯曾试图观察这一效应，但没能成功，原因是他选择了气体当实验品，而气体分子太稀疏了，散射作用十分微弱，用肉眼根本看不到。后来，当拉曼的前两篇论文发表后，罗卡和卡班斯轻车熟路，立即就得到了预期的效果。此外，前苏联物理学家曼德斯塔姆和兰兹伯也于同时期独立地观察到拉曼效应，但他们没有意识到这种效应的重要性和普遍性，而且他们的论文发表日期也晚于拉曼的文章。所以最后的优先权归于印度人拉曼。

生物各种组织和细胞都由蛋白质、核酸、脂类等生物分子组成,生物分子由于电子偶极矩化学键不同,因此每一种生物分子在生物光谱学上都有其特征性的振动谱带。细胞内生物分子成分和(或)构象发生变化,就会引起振动谱带精细的改变,而生物光谱技术如红外光谱技术、拉曼光谱技术可以精确检测和评价这些微观的变化,从而反映组织或细胞的生物分子的特征性变化。不同的生物光谱学技术,虽然其工作原理不尽相同,但都具有快速、客观、无创、重现性好等优点。由于生物光谱实验通常将采集涵盖复杂生物化学信息数据集的成百上千个图谱,而且这些图谱存在着很多的重叠性或只是细微的差异,因此对其图谱的分析最好应用多变量分析的方法,如主成份分析和/或线性判别分析。多变量分析不仅对原始数据进行了降维,判别组间差异,而且能够容易鉴别获取波数相关的生物标记物,如糖原含量、脂质含量、蛋白质构象变化和磷酸化作用以及DNA/RNA的结构改变。当前,与环境致癌物相关的肿瘤发病率呈不断上升趋势,准确地检测环境致癌物的人群暴露浓度以及研究其作用致癌机理,是预防和治疗癌症的重要任务之一。苯并芘是环境污染物中一种前畸变和前致癌物,是多环芳烃类化学物的典型代表。传统上,遗传毒性的短期评价实验通常检测的是高剂量(≥μmol/L)化学物的毒性,但根据这些实验结果发现的生物学效应,如何外推到与人群暴露背景水平相一致的低剂量污染物引起的生物学效应仍然是不明确的。因此,探讨能够有效评价低剂量环境化学物的毒性及其毒理学机制的方法是非常迫切的。本研究应用衰减全反射-傅立叶变换红外光谱技术探讨和研究低剂量苯并芘(最低剂量低至nmol/L级别)对不同周期(S期和Go/G,期)的靶细胞的生物学改变和其毒作用机理。正常组织生长的生物分子特征变化的研究,不仅能更好地深入理解组织成分结构-功能关系,也会为组织的病理改变的研究、疾病的预防与治疗提供更深的认识。本研究还同时利用衰减全反射-傅立叶变换红外光谱和拉曼光谱技术研究在鸡胚胎10-18天期间,以每间隔1天的短时间点内,持续追踪角膜生长、透明化过程中生物分子的微观改变。因此,不仅能够为更好地理解角膜生长过程中的结构-功能关系,也会为生物光谱技术用于正常组织学和病理学的研究提供新的视角。因此,本研究运用生物光谱技术(衰减全反射-傅立叶变换红外光谱和／或拉曼光谱技术)及对图谱的多变量分析方法探讨细胞损伤和正常组织发生的生物分子特征性变化,为探讨和评价细胞和组织的微观变化提供新的手段和视角。目的衰减全反射-傅立叶变换红外光谱(ATR-FTIR)是一种通过无创性方式,鉴别研究细胞生物分子特征性变化的全新技术方法。本研究运用ATR-FTIR光谱技术以及多变量分析研究不同剂量的B[a]P对不同周期的MCF-7乳腺癌细胞生化分子的影响。