各位惟光的朋友们，大家好。

在本期，我们开始Raman光谱应力测试系列第四辑：Raman光谱为什么可以用于测试应力。

拉曼光谱能够测试应力的原因在于其与材料内部的应变和应力状态密切相关。

具体来说，拉曼光谱中的特征峰位置、宽度和强度等参数会随着材料内部的应力和应变状态的变化而发生显著变化。

1.拉曼光谱的基本原理

拉曼光谱是一种基于拉曼散射的光谱技术。当光子与材料中的分子或晶格相互作用时，会发生能量的转移，导致散射光的频率发生变化。这种频率变化（称为拉曼位移）与材料的振动模式相关，反映了材料的分子结构和晶格状态。

2. 应力与拉曼峰位移的关系

• 晶格应变的影响：当材料内部存在应力时，晶格结构会发生变形，导致晶格常数的变化。这种变化会影响材料的振动模式，进而导致拉曼峰的位置发生位移。

• 拉伸应变：拉伸应变会使晶格常数增加，导致拉曼峰向低波数方向移动。

• 压缩应变：压缩应变会使晶格常数减小，导致拉曼峰向高波数方向移动。

• 声子模式的变化：应力会改变材料中的声子模式，这些声子模式与拉曼峰的位移直接相关。例如，AlN薄膜中的E2(high)模式对拉伸应变非常敏感，其拉曼峰位移可以作为应变的直接指标。

3. 拉曼峰宽度的变化

• 应变分布的影响：如果材料内部存在不均匀的应变分布，拉曼峰的宽度会变宽。这是因为不同位置的应变会导致不同的拉曼位移，从而在光谱中形成更宽的峰。

• 缺陷和杂质的影响：材料中的缺陷和杂质也会导致应变分布的不均匀性，进一步影响拉曼峰的宽度。

4. 拉曼峰强度的变化

• 应变对振动模式的影响：应变会改变材料的振动模式，从而影响拉曼峰的强度。例如，某些振动模式在应变下可能会增强或减弱。

• 光程长度的影响：应变会改变光在材料中的传播路径，从而影响拉曼信号的强度。

5. 实际应用中的优势

• 非接触式测量：拉曼光谱是一种非接触式测量技术，不会对样品造成损伤，适用于各种材料和结构。

• 高空间分辨率：现代拉曼光谱仪可以实现微区分析，适用于测量薄膜和微纳结构中的应力分布。

• 快速测量：拉曼光谱测量过程快速，适合在线监测和实时分析。

6. 示例

在AlN薄膜的研究中，拉曼光谱中的E2(high)模式对拉伸应变非常敏感。通过测量E2(high)峰的位移，可以定量分析AlN薄膜中的应变状态。例如，如果E2(high)峰从657.4 cm⁻¹红移至653.6 cm⁻¹，这表明薄膜中存在0.160%的拉伸应变。

拉曼光谱能够测试应力的原因在于其对材料内部的应变和应力状态非常敏感。通过分析拉曼峰的位置、宽度和强度等参数的变化，可以定量分析材料中的应力分布。这种技术具有非接触式、高空间分辨率和快速测量等优点，广泛应用于材料科学和工程领域。

那么，对于例如AlN材料，XRD与Raman光谱哪一种更常用呢？

在AlN薄膜应力测量中，X射线衍射法和拉曼光谱法都是非常常用的方法，具体选择哪种方法取决于测量的具体需求和条件。

X射线衍射法（XRD）

• 优点：

◦ 高精度：能够精确测量晶格常数的变化，从而准确计算应力。

◦ 可靠性：被认为是测量应力的“金标准”，结果非常本征。

• 缺点：

◦ 样品制备要求高：需要精确制备样品，且测量范围较小。

◦ 难以在线检测：无法实现大面积或在线测量。

• 适用场景：适用于需要高精度应力测量的实验室环境。

拉曼光谱法

• 优点：

◦ 非接触、无损：对样品无损伤，适合在线监测。

◦ 快速、高空间分辨率：能够快速测量，且具有较高的空间分辨率。

◦ 适用范围广：不仅适用于结晶材料，也适用于非晶材料。

• 缺点：

◦ 信号受多种因素影响：拉曼峰偏移信号受多种应变共同影响，需要有强有力的软件与算法能力构建模型。

◦ 测量精度：可以提供应力的定性和半定量分析，定量分析需要数学模型建立。

• 适用场景：适用于需要快速、在线监测和微区分析的场景。

因此，X射线衍射法更适合需要高精度和可靠性的应力测量，尤其是在实验室环境中。拉曼光谱法则更适合快速、在线监测和对样品无损检测的场景，对于定量分析，则请咨询我司的研发人员，帮助您建立相关的模型建立，构建定量且在线以及实验室版本的应力监测设备。