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黑人与亚裔

时间:2021-03-09 05:30  编辑:wendj

第27卷,第2期            光谱学与光谱分析Vol 127,No 12,pp2922294

2007年2月            Spectroscopy and Spectral Analysis February ,2007 

D K DP 晶体的拉曼散射谱分析

赵 朋1,2,夏海瑞2,凌宗成2,王培吉1,苏 燕1,张 仲1

1.济南大学理学院,山东济南 250022

2.山东大学物理与微电子学院,山东济南 250100

摘 要 根据空间群理论分析和指认了磷酸二氘钾晶体[K (D x H 1-x )2PO 4,简称D KDP ]的拉曼活性晶格振动模,测量了其室温拉曼光谱。结果表明D KDP 晶体的晶格振动谱主要是由D 2PO -4阴离子团簇的内振动引

起的。与H 2PO -4阴离子稀溶液的拉曼谱和NaD 2(PO 4)2晶体的拉曼谱比较,D KDP 晶体中D 2PO -4阴离子

的四个特征内振动模可被指认为881cm -1(ν1),357cm -1(ν2),514/541cm -1(ν3),965cm -1

(ν4)。

关键词 D KDP 晶体;拉曼光谱;空间群

中图分类号:O78215  文献标识码:A    文章编号:100020593(2007)0220292203

 收稿日期:2005212216,修订日期:2006203226

 基金项目:国家自然科学基金项目(10274043)和济南大学校基金项目(Y0512)资助

 作者简介:赵 朋,1977年生,济南大学理学院讲师,在读博士   e 2mail :ss_zhaop @ujn.edu.cn

引 言

  磷酸二氘钾晶体[K (D x H 1-x )2PO 4,简称D KDP ]是

KDP 的同位素化合物。D KDP 有两种晶型:四方相和单斜

相。四方相的D KDP 对称性属于KDP 型,具有优良的电光及非线性光学性能,在激光技术、光学信息处理和光通信等方面有着广泛的应用,可用于制作电光调制、偏转、调Q 等器件;D KDP 晶体还常用于制作高峰值功率和大平均功率的激光倍频器[1]。单斜相的D KDP 无实用价值,所以我们所研究的是四方相的D KDP 晶体。在本文中,我们根据空间群理论分析和指认了D KDP 的拉曼活性晶格振动模,并测量了其室温拉曼光谱。结果表明D KDP 晶体的晶格振动谱主要是由

D 2PO -1

4阴离子团簇的内振动引起的。

1 理论分析

  四方相D KDP 晶体的空间群为I 42d ,点群为D 2d ,物理

学单胞中含有4个KD 2PO 4分子,共32个原子,所以有96个基本晶格振动模式。当选择对称中心为坐标原点时,原胞内各原子占据的乌克夫位置如表1所示。

T able 1 The atomic positions in D K DP unit cell 原子K D P O 乌可夫位置

4b

8d

4a

16e

  将这96个简正振动模式按商群理论进行对称性分类,

利用结晶学国际表中I 42d 对称操作的俯视图和相关信息[2]可求得第一布里渊区中心Г点I 42d 空间群的可约表示,如表2所示。

T able 2 The reducible representations for I 42d at the Гpoint 点群D 2d 的对称类

对称操作的Seitz 算符

乌可夫位置的特征标

16e 8d 8c 4b 4a E

{1[000](T (0,0,0)}48242412122S 4

{41[001](T (0,0,0)}{43[001](T (0,0,0)}000000-2-2-2-2C 2

{2[001](T (1/2,1/2,1/2)000002C ′2

{2′[010](T (0,1/2,1/4)}{2′[100](T (1/2,0,3/4)}00000000002

σd {σd [110](T (0,1/2,1/4)}{σd [110](T (0,1/2,1/4)}

00

00

00

00

00

  由商群理论,按照I 42d 的乌可夫位置,可将表2中各可约表示约化为点群D 2d 的不可约表示,得到D KDP 晶体的简正振动模式的对称性分类为

Г=11A 1+11A 2+13B 1+13B 2+24E 由点群D 2d 的特征标表[3],E 为双重简并振动模,所以共有96个简正模,与32个原子的运动自由度相等。其中1B 2+1E 为声学模,A 1,B 1,B 2和E 为拉曼活性光学模,B 2和E 为红外活性光学模,A 2为非拉曼活性、非红外活性光学模,因此从理论上讲,扣除简并情况,最多可以观测到82个拉曼活性光学模,即

ΓVib =11A 1(R )+13B 1(R )+12B 2(R ,IR )+23E (R ,IR )相关的拉曼散射张量矩阵分别为[3],a 0

00a 000b ,c 0

00-c 0000,

0d 0d 00000

,00000e 0e ,  A 1     B 1    B 2(Z )   E (X

)00e 000e 00 E (Y )

对称类B 2(Z ),E (X )和E (Y )表示其偶极矩分别沿着Z 2,X 2和Y 2方向,所以实验配置确定如下:

A 1:X (ZZ ) X    A 1+

B 1:X (Y Y ) X B 2:Z (X Y ) Z E:X (Y Z )

X 共四种几何配制。非极性对称类A 1,B 1和极性对称类B 2

(Z ),E (X Y )的晶格振动模散射强度分别为[4]

S unpolar =A ∑ρ,σ=x ,y ,z

e σ

i

R

σρe ρ

s

2

(1)

S polar =

ρ,σ,τ=x ,y ,z

e σi R τσρ(

αξτ+βκτ

)e ρ

s 2

(2)

其中e σi ,e ρ

s 分别是入射光和散射光的偏振方向的单位矢量e i

和e s 在主轴σ和ρ(σ,ρ=x ,y ,z )上的分量;R τσρ表示由

σ和ρ共同决定的拉曼散射张量元R σρ,应属于τ极化方向的拉曼张量;κ和ξ分别是波矢方向和声子极化方向的单位矢量;o 和e 分别代表寻常声子和异常声子;βk 是晶体的极化电场E 引起的极性散射项,β正比于极化电场的强度,对于横声子

TO ,β=0;ξo

TO 恒垂直于光轴和波矢方向;A 和α均为常数因

子。不同散射配置出现的各类声子的散射强度的计算结果如表3所示。

T able 3 C alculated R am an scattering intensity 几何配制

X (Z Z ) X X (Y Y ) X Z (X Y ) Z X (Y Z )

X 拉

曼散射强度

A 1A b

2

A a

2

00B 1

0A c 2

00B o 2(TO )000

0B e 2(TO )00d

2α2

0B e 2

(LO )

0000

E o (TO )000e

2α2

/2

E e

(TO )0

E e (LO )

000

e 2(α+β

)2/2理论计算的拉曼峰数目11(A 1)11(A 1)+13(B 1)12(B 2)

46(E ′

) 注:TO 与LO 分别代表横声子与纵声子;上标o 与e 分别代表寻常光学声

子与异常光学声子。

2 实 验

  样品沿着a ,b,c 轴切割并加工成5×5×5mm 3的立方

体,定向精度小于1′,表面抛光成光学平面。实验是在J asco Ventuno 21显微拉曼谱仪上进行的,温度为室温,入射缝宽为100μm ,激励线波长为

532nm ,功率为30mW ,拉曼谱在

50到1200cm -1波数范围内收集2次。图1到图2为D KDP

晶体在不同的配酌下的拉曼测量结果。

Fig 11 R am an spectra of D K DP with (a)X (ZZ ) X and

(b)X (YY ) X scattering projects

Fig 12 R am an spectra of D K DP with (a)X (YZ )

X and (b)Z (XY ) Z scattering projects

3 讨 论

  图1(a )X (Z Z ) X 配置对应于A 1类全对称振动模,共观察到8个的拉曼峰,即114,185,357,514,541,714,881

和965cm -1。其中,低波数的拉曼峰114和185cm -1属于晶

格振动外模。其余高波数的拉曼峰属于D 2PO -4阴离子内振

动模。与H 2PO -4阴离子稀溶液的拉曼谱[5]和NaD 2(PO 4)2晶体的拉曼谱[6]比较,D KDP 晶体中D 2PO -4阴离子的四个特征内振动模可被指认为881cm -1(ν1,反对称P (OD )2伸缩振动),357cm -1(ν2,P (OD )2面内弯曲振动),514/541

cm -1(ν3,PO 2弯曲振动),965cm -1

(ν4,PO 2面内对称伸缩振动)。由于D KDP 晶体中PO 4四面体的扭曲,导致拉曼峰ν3发生了劈裂。

图1(b )X (Y Y ) X 配置对应于A 1和B 1类振动模,与

X (Z Z ) X 散射配置进行比较,波数为150cm -1和454cm -1两

条新谱线属B 1对称类模,尚有11条理论预测的振动模未观察到。特别值得注意的是,由于声子的方向色散,在X (Y Y )

X 散射配置中测到的A 1类模的波数与X (Z Z ) X 散射配置中

3

92第2期                    光谱学与光谱分析

的比较有明显频移。

图2(a)Z(X Y) Z配置对应于B2类振动模,共观察到9个的拉曼峰,即149,354,378,452,512,544,705,879和965cm-1。值得注意的是,由于D KDP晶体中PO4四面体的扭曲,拉曼峰ν2和ν3发生了劈裂,分别劈裂为354/378 cm-1和512/544cm-1。

图2(b)X(Y Z) X配置对应于E类振动模,共观察到8个的拉曼峰,即114,132,187,356,512,540,880和962 cm-1。其中,114/132cm-1和512/540cm-1是由于极性晶格振动造成的横模/纵模(TO/LO)劈裂。而187,356,880和962cm-1是四条双重退简并模(TO+LO)。

D KDP晶体的所有测到的拉曼峰列于表4中。

当前,拉曼光谱的研究也是比较热点的课题[7]。

4 结 论

  我们根据空间群理论分析和指认了D KDP的拉曼活性晶格振动模,并测量了其室温拉曼光谱。结果表明D KDP晶体的晶格振动谱主要是由D2PO-4阴离子团簇的内振动引起的。D KDP晶体中D2PO-4阴离子的四个特征内振动模可被指认为881cm-1(ν1,反对称P(OD)2伸缩振动),357cm-1 (ν2,P(OD)2面内弯曲振动),514/541cm-1(ν3,PO2弯曲振动),965cm-1(ν4,PO2面内对称伸缩振动)。

T able4 The R am an peaks measured from D K DP(cm-1) A1B1B2(Z)E(X Y)

114150149114/132(TO/LO)

185454354/378187(TO+LO)

357(ν2)452356(TO+LO)

514/541(ν3)512/544512/540(TO/LO) 714705880(TO+LO)

881(ν1)879962(TO+LO)

965(ν4)965

参考文献

[1] ZHAN G Ke2cong,WAN G Xi2min(张克从,王希敏).Non2linear Optical Crystal Materials(非线性光学晶体材料科学).Beijing:Science

Press(北京:科学出版社),1996.100.

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[3] ZHAN G Guang2yin,LAN Guo2xiang,WAN G Yu2fang(张光寅,蓝国祥,王玉芳).Lattice Vibration Spectroscopy(晶格振动光谱学).

Beijing:Higher Education Press(北京:高等教育出版社),2003.356,201.

[4] XIA Hai2rui,QIN Zi2kai,L I Li2xia,et al(夏海瑞,秦自楷,李丽霞,等).Acta Phys.Sin.(物理学报),1993,42:1786.

[5] Preston C M,Adams W A.J.Phys.Chem.,1979,83:814.

[6] Baran T,Lis T,Drozd M,et al.J.Mol.Struct.,2000,516:185.

[7] ZEN G Rong2ying,KUAN G Dai2zhi,YI Xiang2hui,et al(曾荣英,邝代治,义祥辉,等).Spectroscopy and Spect ral Analysis(光谱学与光

谱分析),2005,25(6):906.

R am an Spectra Analysis of D K DP Crystal

ZHAO Peng1,2,XIA Hai2rui2,L IN G Z ong2cheng2,WAN G Pei2ji1,SU Yan1,ZHAN G Zhong1

1.School of Science,Ji’nan University,Ji’nan 250022,China

2.School of Physics and Microelectronics,Shandong University,Ji’nan 250100,China

Abstract Based on the space group theory,the normal vibration modes of D KDP crystal were analyzed and the assigned.Raman spectra were measured at the room temperature.Results show that the lattice vibration spectra of D KDP arise mainly f rom the internal vibrations of D2PO-4anionic cluster.Compared with the Raman spectra of an aqueous solution of KH2PO4and an NaD2 (PO4)2crystal,the four internal vibration models of the D2PO-4in D KDP were assigned as881cm-1(ν1),357cm-1(ν2),514/ 541cm-1(ν3),965cm-1(ν4),respectively.

K eyw ords D KDP crystal;Raman spectra;Space group

(Received Dec.16,2005;accepted Mar.26,2006)  492光谱学与光谱分析                   第27卷

。

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