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五辑：Raman光谱与XRD的测试场景初探。

X射线衍射（XRD）是一种非常强大的无损检测技术，广泛用于测量材料的应力。

然而，XRD在某些情况下可能不适用或效果不佳。

以下是一些XRD难以测试应力的材料类型及其原因：

1. 非晶态材料

• 特点：非晶态材料没有长程有序的晶格结构，因此没有特征的X射线衍射峰。

• 问题：由于缺乏特征峰，XRD无法通过晶格常数的变化来测量应力。

• 例子：非晶态硅（a-Si）、非晶态聚合物、玻璃等。

2. 纳米材料

• 特点：纳米材料的尺寸非常小，通常在纳米级别，其晶格结构可能不完整或存在大量缺陷。

• 问题：纳米材料的X射线衍射峰可能非常宽且不明显，难以精确测量晶格常数的变化。

• 例子：纳米颗粒、纳米线、纳米薄膜等。

3. 多相材料

• 特点：多相材料由多种不同的相组成，每种相可能有不同的晶格结构。

• 问题：多相材料的X射线衍射图谱可能非常复杂，难以区分不同相的特征峰，从而难以准确测量应力。

• 例子：金属基复合材料、陶瓷基复合材料、多相合金等。

4. 有机材料

• 特点：有机材料通常具有复杂的分子结构，缺乏长程有序的晶格。

• 问题：有机材料的X射线衍射峰通常较弱且不明显，难以通过晶格常数的变化来测量应力。

• 例子：聚合物、生物材料、有机薄膜等。

5. 低密度材料

• 特点：低密度材料对X射线的吸收和散射能力较弱。

• 问题：低密度材料的X射线衍射信号较弱，难以获得足够的信号强度进行精确测量。

• 例子：泡沫材料、气凝胶等。

6. 表面涂层和薄膜

• 特点：表面涂层和薄膜的厚度通常非常薄，且可能存在界面效应。

• 问题：薄膜的X射线衍射信号可能被衬底的信号掩盖，难以区分薄膜的特征峰。

• 例子：超薄金属涂层、纳米级薄膜等。

7. 材料表面存在严重损伤或污染

• 特点：材料表面可能存在划痕、氧化层、污染物等。

• 问题：表面损伤或污染会影响X射线的入射和散射，导致测量结果不准确。

• 例子：划痕严重的金属表面、氧化层覆盖的半导体表面等。

8. 材料内部存在不均匀应力分布

• 特点：材料内部可能存在不均匀的应力分布，如梯度应力。

• 问题：XRD通常测量的是平均应力，难以区分材料内部的不均匀应力分布。

• 例子：梯度应力材料、多层结构材料等。

9. 材料的晶格常数变化非常小

• 特点：某些材料的晶格常数变化非常小，难以通过XRD检测到。

• 问题：晶格常数变化非常小的材料，其X射线衍射峰的位移可能在测量误差范围内，难以准确测量。

• 例子：某些高纯度单晶材料、低应变材料等。

XRD在测量非晶态材料、纳米材料、多相材料、有机材料、低密度材料、表面涂层和薄膜、表面损伤或污染严重的材料、内部存在不均匀应力分布的材料以及晶格常数变化非常小的材料时，可能会遇到困难。这些材料的共同特点是缺乏特征的X射线衍射峰或信号弱，难以通过晶格常数的变化来准确测量应力。在这种情况下，可以考虑使用其他应力测量方法，如拉曼光谱法、纳米压痕法或激光干涉法等。

接下来，我们就详细说明一下Raman光谱对于哪些材料的应力测试最为敏感和适用。

拉曼光谱对以下材料的应力测试最为敏感：

1. 半导体材料

• 硅（Si）：单晶硅和多晶硅的拉曼特征峰位于约520 cm⁻¹处，对应于硅的晶格振动模式。当材料内部存在应力时，晶格常数发生变化，导致拉曼谱峰发生位移。

◦ 张应力：使晶格常数增大，拉曼谱峰向低波数方向移动。

◦ 压应力：使晶格常数减小，拉曼谱峰向高波数方向移动。

• 应变硅：应变硅技术通过在硅材料中引入应变来提高载流子迁移率，从而提升器件性能。拉曼光谱可用于表征应变硅材料的应力状态，应变的存在会导致拉曼谱峰发生位移，且位移方向和幅度与应变类型和大小相关。

• 其他半导体材料：如锗（Ge）、硅锗合金、硫化硅、氯化镓等，拉曼光谱也常用于这些材料的应力检测。

2. 二维材料

• 石墨烯：石墨烯的拉曼特征峰（如G峰和2D峰）对应力非常敏感。当石墨烯受到应力作用时，拉曼特征峰的位置与所受应力呈线性关系，这种声子频率的移动率可以用于高精度绘制石墨烯的应变分布。

• 过渡金属硫化物（TMDCs）：如MoS₂、WS₂等，其拉曼光谱中的特征峰对应力变化敏感。通过拉曼光谱可以研究这些材料在不同应力状态下的晶格振动频率变化。

• 少层黑磷（磷烯）：少层黑磷的拉曼光谱对单轴应变非常敏感，通过拉曼各向异性测量可以调谐其电子结构。

3. 纳米复合材料

• 碳纳米管/聚合物复合材料：拉曼光谱可以用于分析碳纳米管在聚合物基体中的应力传递效率。碳纳米管的拉曼特征峰对变形较为敏感，且其拉曼散射强度对拉曼探测的偏振方向具有选择性，可以作为面内应变分量定量测量的传感介质。

• 纳米管增强复合材料：如碳纳米管增强的尼龙纤维等，拉曼光谱可以分析其在大变形过程中的内部结构演化。

4. 陶瓷材料

• 氧化铝（Al₂O₃）：虽然Al₂O₃的拉曼模式存在双重简并性，但在应力状态部分已知的情况下，偏振拉曼技术可以实现应力分量的解耦分析。

• 二氧化硅（SiO₂）：富硅二氧化硅薄膜的应力可以通过拉曼光谱进行表征，分析不同O/Si比对薄膜结构性能的影响。

5. 高分子材料

• 纤维复合材料：如碳纤维、大麻纤维、PBO纤维等，其拉曼特征峰频移对键长变化敏感。通过单轴拉伸实验获得应力-频移因子，可用于纤维复合材料界面力学行为的实验分析。

• 聚合物薄膜：如PBO薄膜，可以作为拉曼传感器，研究复合材料的断裂韧性和裂纹尖端附近的应变分布。

6. 其他材料

• 六方氮化硼（h-BN）：h-BN的拉曼光谱对晶格失配和热膨胀失配引起的压缩残余应变敏感，可用于研究其在复合材料中的应变传感潜力。

• 金属氧化物：如CeO₂-₈薄膜，拉曼光谱可以用于测量其应力，并同时获取氧不足信息。

由上述的叙述可知，拉曼光谱对多种材料的应力测试都非常敏感，尤其是半导体材料、二维材料、纳米复合材料、陶瓷材料和高分子材料。

这些材料的共同特点是其拉曼特征峰对晶格应变和应力变化非常敏感，能够通过拉曼光谱的位移、宽度和强度变化来定量分析应力状态。