利用多颗粒声子限制模型结合拉曼光谱表征纳米晶粒尺寸分布

本实验的总体目标是利用拉曼光谱快速、可靠且无损地测定纳米粒子的尺寸分布。该目标通过以下步骤实现：首先获取目标纳米粒子的拉曼光谱；第二步是分析测量数据，并利用多粒子声子限域模型识别其中的子分布。

接下来，确定拟合模型中各子分布的平均粒径和宽度因子。最后一步是利用所获得的参数确定目标纳米颗粒的实际粒径分布。最终，通过拉曼光谱证明，可以快速、可靠且非破坏性地测定纳米颗粒的粒径分布。

与透射电子显微镜和X射线衍射等现有方法相比，拉曼光谱技术的主要优势在于其能够以非破坏性方式快速获得可靠结果，并且在大多数实验室中均可随时使用。首先合成目标纳米晶体，然后通过等离子体增强化学气相沉积法将硅纳米晶体沉积到玻璃基底上。

此处合成了尺寸约为2至120纳米的硅纳米晶体，其粒径分布呈双峰模式，分别分布在2至10纳米和40至120纳米范围内。接下来，打开拉曼光谱系统的激光器，并使其预热约15分钟，以使激光强度达到稳定。在打开设备门之前，务必关闭激光器及活动光源，以避免操作中的激光意外照射，确保安全。然后按下门控按钮。

释放并打开测量室的门。将样品放置在样品 holder 台上。选择 50 倍物镜，并对准纳米晶体粉末的表面进行聚焦。

然后关闭测量室的门。接下来，点击快门弹出按钮以移除快门。此时激光指示灯应闪烁绿色，实时图像中的激活指示灯应闪烁红色。良好。

使用轮式调节器调整样品的焦距，直到在实时图像上观察到最小的激光光斑。然后从测量工具栏中选择新的光谱采集选项，在弹出窗口中将测量范围设置为150至700 cm⁻¹。将测量时间设为30秒，采集总次数设为两次，激光功率设为基于25毫瓦激光的0.5%。

接下来，单击菜单栏上的采集开始按钮以启动测量。测量完成后，单击快门进入按钮将快门关闭，将数据同时保存为 A WXD 文件和 TXT 文件。文本文件将用于实验数据的分析。

观察到激光和激活光源已关闭后，按下门释放按钮，打开测量室的门。然后通过重复此过程测量纳米材料的块体参考值。

使用块体材料峰位的参考样品，估算相对位移。首先，在绘制数据之前，打开纳米晶体测量和块体参考样品的测量数据文本文件。使用三次样条函数对数据进行平滑处理，并将其最高峰位置归一化至1。

为了对相对峰位偏移进行良好比较，绘制硅纳米晶体和参考硅的数据图。确定参考硅的峰位，并估算其相对于521 cm⁻¹实际峰位的偏移量（如有）。然后将工艺硅纳米晶体数据保存为TXT文件。

然后开始拟合过程。将此处所示的拟合函数输入到 Mathematica 等分析程序中。确保偏度的取值区间在 0.1 至 1.0 之间，平均粒径的取值区间在 2 纳米至 20 纳米之间。在拟合过程中，首先将归一化并校正后的数据作为非线性拟合模型的输入。

使用导入命令，按住 Shift 键并按下 Enter 键执行拟合过程。随后，将获得的平均粒径和偏度值填入此处所示的预定义通用分布函数中。最后，选中此处所示的粒径分布方程，并使用绘图命令绘制粒径分布图，分布范围为 2 至 15 纳米，作为分布的下限和上限。

通过透射电子显微镜对本图所示样品中的颗粒进行了测量，发现其纳米颗粒具有双峰尺寸分布。小纳米颗粒的尺寸在2至10纳米之间，而大纳米颗粒的尺寸在40至120纳米之间。拉曼光谱分析结果表明，小颗粒的尺寸分布确实在2到10纳米范围内。

结果显示分布呈对数正态分布，平均粒径为4.2纳米，偏度为0.27。拉曼光谱法是测量硅纳米颗粒微小尺寸差异的理想方法，当载气流速从每秒3标准立方厘米增加到每秒10标准立方厘米时，所形成的纳米颗粒平均直径减小，偏度略有增加。一旦掌握，该技术若操作得当，仅需几分钟即可完成。