拉曼光譜學——分子結構研究的方法

　　拉曼光譜是一種散射光譜。拉曼光譜分析法是基于印度科學家C.V.拉曼（Raman）所發現的拉曼散射效應，對與入射光頻率不同的散射光譜進行分析以得到分子振動、轉動方面信息，并應用于分子結構研究的一種分析方法。現在，拉曼光譜的應用范圍遍及化學、物理學、生物學和醫學等各個領域，對于純定性分析、高度定量分析和測定分子結構都有很大價值。

　　在過去的20多年中，新的納米結構不斷出現，相應的拉曼光譜研究也緊隨著展開。利用普通拉曼光譜實驗測量的納米結構樣品尺寸最大只有1000 nm，然而，拉曼散射光來自于物質中與原子和分子相關的對象，例如分子中的化學鍵和固體中的如聲子、電子、磁振子、極化子等元激發。因此，拉曼光譜的研究對象是在原子和分子水平上的，這意味著納米結構的拉曼光譜研究并沒有受到樣本的納米尺度的影響，納米材料的顯微結構和內部運動的信息用拉曼光譜很容易直接得到，這也是拉曼光譜對納米結構研究的優勢。另一方面，由于拉曼光譜技術的不斷進步，它的檢測靈敏度提高了一百萬倍以上，空間分辨率可以達到幾個納米，導致“歷史”的拉曼儀器成為當今“流行”的實驗儀器，而被廣泛使用。

　　由于上述兩方面原因，越來越多的非拉曼光譜學領域的學者加入到拉曼光譜研究隊伍中來，特別是在納米材料領域。同時，當今對納米結構的研究熱情，也使原先拉曼光譜領域的許多學者也加入到納米結構拉曼光譜學研究的行列中。這兩個群體往往分別缺乏拉曼光譜和納米結構的知識。加之，這兩個群體也希望了解納米結構拉曼光譜的基本特征、發展和最新狀態。顯然，這就需要有一些相關的圖書，能夠提供目前的拉曼光譜、納米結構和納米結構拉曼光譜相關的基本知識，這樣人們就可以在“前人的肩膀”上較快的到達科學和技術的前沿水平。這本書的出版就是希望它確實能滿足上述需求。

　　 張樹霖：北京大學物理學院教授、國際拉曼光譜學大會國際執委會終身委員。1985—1986年和2003年曾先后受聘為美國伊利諾大學和美國能源部材料研究實驗室的客座副教授和香港中文大學的楊振寧講座學者。1978年起利用自組建的激光拉曼光譜儀開始拉曼光譜學研究。1985年后集中于低維納米結構拉曼光譜學研究。2004年，其“若干低維材料的拉曼光譜學研究”獲國家自然科學二等獎。在自制的當時世界上最小的商品激光拉曼光譜儀RBD—Ⅱ的基礎上，在我國首先開設了近代物理實驗課《振動拉曼光譜》。2009年起，先后在中國科學院和北京大學開設了《拉曼光譜學基礎》課。2016年第25屆國際拉曼光譜學大會授予他“拉曼終身成就獎（Raman Lifetime Award）”

　　從20世紀70年代后期，北京大學物理學院的張樹霖教授開始了拉曼光譜學的研究工作。由于當時有限的科研經費，他的研究工作開始于需要在一個過時的棱鏡光譜儀基礎上開發出一個激光拉曼光譜儀器。結果，它被成功地研制出來。開發成功一方面標志著在中國的實驗室有了第一臺激光拉曼光譜儀，同時也使張樹霖教授得到了第一手的實驗技術。使其能夠通過以自制的元件取代進口商業大型拉曼光譜儀的光學元件，如樣品光路和原有的數據采集和處理系統，來改造大型商業拉曼光譜儀，提高原先的商業拉曼光譜儀的性能，例如，可以在3~120 頻率范圍的既極低波數又寬光譜范圍內測量拉曼光譜。這些成果也為后來高水平的納米結構拉曼光譜研究打下了一個良好的技術基礎。1985年，張樹霖教授作為伊利諾伊大學香檳分校克萊因研究組的訪問學者和美國能源部材料研究實驗室的客座副教授，將其研究工作轉向了超晶格的拉曼光譜學研究。在二十個世紀的最后幾十年，張樹霖教授一直沒有離開這個領域，因此他見證了許多里程碑式的納米結構的誕生，如多孔硅、碳納米管、納米金剛石顆粒、極性半導體SiC納米棒、納米ZnO等，并在納米結構拉曼光譜領域留下他的足跡。當拉曼光譜儀器逐漸流行時，越來越多的人加入到拉曼光譜研究的行列，同時也迫切想學習和了解拉曼光譜學的基本原理。因此，從上世紀90年代開始，張樹霖教授經常被邀請去各學術單位作演講。例如， 1998年之后，兩年一屆的國際拉曼光譜學大會邀請他就納米半導體拉曼光譜學成果作了六次邀請報告。此外，還應邀作了一些評述性的學術報告。在上述工作基礎上，張樹霖教授于2008年出版了一本關于拉曼光譜和納米半導體的中文書“拉曼光譜學與低維納米半導體”，并于2009年應邀在中國科學院研究生院講授了一學期“拉曼光譜學基礎”的研究生課程。

　　 由于上述工作的基礎，張樹霖教授接受了威利（Wiley）出版社基于其他科學家推薦的邀請，撰寫了英文專著《拉曼光譜學及其在納米結構中的應用》。北京大學出版社將這本書分成上下兩冊譯成中文版出版，并邀請張樹霖教授撰寫專著《拉曼光譜儀的科技基礎及其構建和應用》。相信這三本書可以幫助有志研究拉曼光譜學的學者盡快到達科學和技術的前沿水平。