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一、高壓拉曼散射光譜
激光拉曼散射技術(shù)是一種基于激光光子與物質(zhì)相互作用中非彈性散射過程的高分辨無損光譜手段，廣泛應(yīng)用于探測材料的晶格振動模式、物質(zhì)結(jié)構(gòu)信息及其應(yīng)力響應(yīng)與相變行為，揭示聲子元激發(fā)下物質(zhì)的微觀動力學(xué)特性。頻移、線寬和強度是拉曼散射光譜的三個基本參量。頻移是譜線相對于入射激光頻率（能量）的差值（單位：cm-1），取決于物質(zhì)的特性（元激發(fā)能量）而與激光波長無關(guān)；線寬是光散射譜峰強度一半處的譜線寬度，通常反映樣品的無序度（元激發(fā)壽命）；峰值強度用來表征光散射信號的強弱，取決于樣品的光散射截面、物質(zhì)的量等多因素（元激發(fā)數(shù)目）。此外，光譜退偏度可以描述輻射束振動的偏振特性，與其有關(guān)的譜偏振特性可以提供各向異性晶體結(jié)構(gòu)、振動模式對稱性等信息。
在高壓條件下，激光拉曼光譜展現(xiàn)出更廣泛的應(yīng)用潛力。隨著壓力的施加，晶體中原子間距逐漸縮小，體系趨于致密化，原有的晶體對稱性可能因局部結(jié)構(gòu)畸變而被破壞。當平移對稱性遭受破壞時，聲子動量選擇規(guī)則將被松弛，使得原本在理想晶體中拉曼禁阻的非布里淵區(qū)中心區(qū)（q ≠ 0）聲子通過無序誘導(dǎo)機制變?yōu)楣鈱W(xué)活性，從而參與拉曼散射過程[1][2]。這一現(xiàn)象在光譜上表現(xiàn)為拉曼帶的展寬、非對稱性增強以及譜峰的分裂或新模的出現(xiàn)，反映了體系內(nèi)部微觀無序程度的增加。以金剛石為例，在高壓誘導(dǎo)的非均勻應(yīng)變條件下，其非布里淵區(qū)中心區(qū)光學(xué)聲子模式可通過無序散射機制激活，在拉曼譜中表現(xiàn)為特征性模態(tài)劈裂。
隨著壓力進一步升高，體系可能經(jīng)歷一階或二階壓致相變過程，伴隨晶格構(gòu)型、原子配位與電子結(jié)構(gòu)的本質(zhì)性重構(gòu)，進而誘導(dǎo)全新的聲子譜系與選擇規(guī)則重排。拉曼光譜在此階段作為原位觀測工具，不僅可監(jiān)測特定模態(tài)的演化行為，還可揭示相變機制、判定轉(zhuǎn)變類型，并追蹤動力學(xué)路徑。因此，高壓拉曼散射光譜在材料相變研究、結(jié)構(gòu)相圖重構(gòu)以及極*條件下物性的探索中發(fā)揮著不可替代的作用。
二、高壓原位拉曼散射技術(shù)
高壓原位激光拉曼散射技術(shù)把金剛石對頂砧（Diamond Anvil Cell, DAC）技術(shù)和激光拉曼散射技術(shù)相互結(jié)合，以無接觸、無損傷的特點實時動態(tài)檢測高壓下物質(zhì)的相變行為和結(jié)構(gòu)特性。1968 年，美國 C. Postmus 等人[3]首*使用 He-Ne 激光器作為激發(fā)光源，研究了 HgI2 在高壓下的拉曼光譜，揭開了高壓拉曼散射的序幕。隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展和 DAC 技術(shù)的逐步成熟，高壓原位激光拉曼散射技術(shù)在材料、物理和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域被廣泛使用。
高壓原位激光拉曼散射與其它高壓原位測量技術(shù)比較具有以下優(yōu)勢：
①空間分辨率較高，可研究微米級物質(zhì)特性。激光的光斑較小，直徑通常為幾微米，對待測物質(zhì)的尺寸包容性較大。高壓拉曼散射對于物質(zhì)在高壓下的結(jié)構(gòu)相變、晶格缺陷和應(yīng)力分布等非常敏感，還可以原位觀測分子的振動、轉(zhuǎn)動和無序情況。
②具有納秒級時間分辨能力，常規(guī)條件下數(shù)秒即可獲取高信噪比光譜數(shù)據(jù)。而高壓同步輻射和高壓中子衍射采譜需要幾分鐘，有的甚至高達幾天。
③高壓拉曼散射技術(shù)可與高溫、低溫、強磁場和強電場等物理參量聯(lián)用，通過變諧路徑原位探測物質(zhì)在多重極*條件下的結(jié)構(gòu)與動力學(xué)演化。
④結(jié)合瞬態(tài)激光脈沖與時間門控探測技術(shù)，可在納秒乃至皮秒時間尺度上有效抑制背景熒光和熱發(fā)射噪聲，實現(xiàn)對高壓下超快相變與動力學(xué)過程的原位時域觀測。
三、基本原理與裝置
1. 高壓加載裝置
DAC是當前靜高壓小腔體實驗的主流裝置，自20世紀 Bridgman[4]首*提出碳化鎢加壓裝置以來，1958年 Charlie Weir[5]等人首*研制出DAC，因其高硬度、高導(dǎo)熱性及良好透光性逐步取代碳化鎢。Mao-Bell[6]型DAC的提出標志其設(shè)計趨于成熟，至1985年最高可達120?GPa。1990年毛河光[7]通過邊緣倒角設(shè)計將壓力提升至300?GPa，2012年 Dubrovinsky[8]提出的半球形二級砧理論極限壓力達750?GPa，但尚未廣泛應(yīng)用。DAC裝置主要由一對金剛石、固定底座和外部加載系統(tǒng)組成，其采用寶石級單晶金剛石作為砧（平面直徑可從600 μm縮至20?μm），通過外延倒角或雙倒角設(shè)計，顯著降低砧緣應(yīng)力，實現(xiàn)高達300?GPa乃至更高的穩(wěn)定加載。除此之外，還在其間放置了封墊以避免撞擊和樣品外流，封墊材料常用T301鋼片、錸片、鎢片等。一般來說，T301片適合低壓實驗，錸片和鎢片適合高壓實驗。在實驗前根據(jù)臺面直徑的大小將封墊預(yù)壓到適合的厚度，厚度一般為臺面直徑的
，并在壓坑中間打一個大小約為臺面直徑 
~ 
的小孔用于裝樣（常見的打孔方式包括手動打孔、電火花打孔和激光打孔等）。
壓砧臺面的直徑和形狀、金剛石質(zhì)量、底座質(zhì)量和加載方式等影響了DAC 所能達到的極限壓力，其中起決定性作用的是 DAC 的砧面大小。1989 Dunstan 等人根據(jù)平面壓砧砧面模型，提出壓砧能夠達到最大壓力（Pmax）經(jīng)驗公式[9]：
其中壓力（P）的單位為GPa，壓砧砧面直徑（d）的單位為mm。該公式為設(shè)計不同砧面尺寸的高壓實驗提供了估算依據(jù)。下圖匯總了國內(nèi)外在不同金剛石砧面直徑下所獲得的最大實驗壓力[10-24]。
圖1. DAC裝置基本原理（上）及實物圖（下）
圖2. DAC的最大加載壓力和壓砧砧面直徑的關(guān)系[10-24]
2. 壓力標定
在高壓科學(xué)實驗中，準確測量樣品所受壓力是實現(xiàn)高質(zhì)量實驗的前提。為此，研究人員發(fā)展出多種光譜學(xué)標定壓力的方法，其中應(yīng)用*廣、*具代表性的兩種是紅寶石熒光標定法與金剛石拉曼標定法。
（1）紅寶石標壓法：
紅寶石由Al2O3晶體中摻雜的Cr3?離子提供熒光信號，受激發(fā)后會產(chǎn)生兩個清晰的譜線：R?和R?[25]。當壓力升高時，這兩個譜線會發(fā)生可觀測的紅移，其中R?線對壓力變化較為敏感，因此被廣泛用作壓力標定依據(jù)。Mao等人于1978年提出的經(jīng)驗公式[26]已成功應(yīng)用于0 ~ 80 GPa的范圍：
但是隨著高壓力的加載以及靜水壓環(huán)境變差，R1線和R2線的信號逐漸變?nèi)酢⒎逦粚捇瘒乐兀踔梁喜橐粋€峰，因此在超高壓（>100 GPa）下標定的壓力不是特別準確。
圖3. (a) 3 GPa和80.5 GPa 壓力條件下紅寶石的熒光峰；(b) R1線隨壓力變化關(guān)系[25]
（2）金剛石標壓法：
金剛石在拉曼光譜中有一個清晰的特征主峰，壓力作用下，金剛石砧面與樣品表面緊密貼合，測量樣品腔附近金剛石的應(yīng)力可以獲得相對準確的標定壓力。高壓下，金剛石晶體結(jié)構(gòu)的平移不變性受到干擾，一階拉曼峰出現(xiàn)不對稱展寬和藍移，其峰位隨壓力變化顯著且規(guī)律清晰。Akahama 等人通過精確實驗建立了以下標定公式[27]（單位為 GPa）：
其中 
是金剛石拉曼主峰的位置（單位 cm?1），在DAC實驗中，壓強標定通過金剛石第一階拉曼聲子的高頻邊緣進行常規(guī)校準。該方法的適用范圍已拓展至 500 GPa 左右，并在常溫標壓、動態(tài)壓縮、甚至天體內(nèi)部環(huán)境研究中展現(xiàn)出巨大潛力。
圖4. (a) 0 GPa和157 GPa條件下的壓砧金剛石拉曼峰；(b) 金剛石拉曼峰緣移動對應(yīng)金剛石布里淵中心Γ點的高壓行為[28]，紅點為實驗數(shù)據(jù)，紅色實線為Γ點隨壓力變化關(guān)系。
3. 光譜采集
在高壓原位拉曼實驗中，為獲取高質(zhì)量的拉曼散射信號，通常需要構(gòu)建具備高靈敏度、低背景干擾和寬頻段響應(yīng)能力的光譜采集系統(tǒng)。由于DAC的結(jié)構(gòu)特性，拉曼光學(xué)系統(tǒng)可配置長工作距離物鏡，如日本三豐 Mitsutoyo M Plan Apo SL 20×（工作距離 30.5 mm）。
圖5. 典型高壓原位激光拉曼光學(xué)平臺的光路圖（部分）
四、高壓拉曼光譜的應(yīng)用典型案例
案例①：高壓拉曼光譜揭示超高壓下氫的V相新固相
愛丁堡大學(xué)極*條件科學(xué)中心團隊利用靜態(tài)DAC與300?K下的拉曼光譜，將H?/HD加壓至＞325?GPa，觀測到振動模強度驟降、低頻模消失及頻率—壓強斜率突變，首*確認新的V相。該相在388?GPa及升溫至465?K后仍保持穩(wěn)定，同時在D?中發(fā)現(xiàn)IV′相，刷新了超高壓實驗記錄并揭示了氫在分子-原子過渡前的行為。[29]
圖6. H?/HD/D?的超高壓拉曼譜 [29]
案例②：超高壓條件下HCP金屬（Os與Re）的拉曼散射行為及彈性響應(yīng)
四川大學(xué)極*條件光譜實驗室開發(fā)了傾角散射拉曼實驗技術(shù)，對六方密堆積（HCP）結(jié)構(gòu)的鋨（Os）與錸（Re）樣品，開展了從常壓至205 GPa的原位高壓拉曼光譜測量。[30-31]。實驗結(jié)果顯示，兩種hcp金屬的E2g剪切聲子模式在全壓強范圍內(nèi)均呈顯著藍移趨勢。基于拉曼頻移-壓強數(shù)據(jù)，通過反演算法獲得了Os與Re剪切模量C??隨壓強的演變曲線，揭示了它們在超高壓環(huán)境中各向異性彈性響應(yīng)的復(fù)雜演化規(guī)律。該研究不僅深化了對HCP金屬在超高壓下聲子動力學(xué)與本征彈性性質(zhì)的認識，也為未來利用高壓原位拉曼散射技術(shù)直接測量金屬類材料在TPa*壓強下的彈性參量提供了可復(fù)制的技術(shù)范式與實驗參考。[31]
圖7. HCP金屬Os和Re的超高壓拉曼光譜[31]
案例③：半導(dǎo)體高壓拉曼光譜的相邊界確定
四川大學(xué)極*條件光譜實驗室利用自研的等溫壓縮拉曼系統(tǒng)[32,33]在不同溫度條件下（90 K、180 K、300 K）對ZnS樣品進行加壓，首*確定了ZnS的B3→B1相變的臨界壓力：90?K時為18.8?±?0.8?GPa，180?K時為16.9?±?0.4?GPa，300?K時為15.4?±?0.7?GPa，并據(jù)此根據(jù)Clapeyron方程計算出壓力系數(shù)dP/dT ≈ –16.46?MPa/K。此外，他們還發(fā)現(xiàn)在極低溫度下，各聲子模式對壓力的響應(yīng)明顯減弱，揭示了非簡諧效應(yīng)在低溫高壓相變中的關(guān)鍵作用[33]。
圖8. 由低溫高壓拉曼光譜實驗確定的ZnS高壓相圖[33]
五、高壓拉曼光譜的發(fā)展方向（部分）[34-37]
①超快與高靈敏采集：通過納秒/皮秒時間門控技術(shù)抑制熒光背景，實現(xiàn)快速、高信噪比的拉曼信號采集；同時，表面增強（SERS）與尖*增強（TERS）等技術(shù)持續(xù)提升檢測靈敏度至單分子水平。
②多波段與傅里葉成像：利用1064 nm紅外激光的傅里葉變換拉曼（FT-Raman）實現(xiàn)低背景、深穿透高速成像；紅外拉曼激發(fā)則在深色或生物樣品中大幅減弱熒光干擾；X射線拉曼散射（XRS）借助硬X射線探測低Z元素吸收邊結(jié)構(gòu)，適合原位與體相研究。
③極*條件下原位耦合：將高壓拉曼與X射線衍射、紅外、電化學(xué)等技術(shù)同步，實時監(jiān)測材料在高壓、高溫或電化學(xué)環(huán)境中的相變與反應(yīng)中間體，揭示結(jié)構(gòu)–性能關(guān)系。
④多模態(tài)與智能化：未來將推動拉曼與超快光譜、深度學(xué)習重構(gòu)、多模態(tài)成像（如拉曼–電化學(xué)）相結(jié)合，實現(xiàn)高通量、可視化及自動化的數(shù)據(jù)采集與分析。
參考文獻：
[1] Pu M, Zhang F, Liu S, et al. Tensile-strain induced phonon splitting in diamond[J]. Chinese Physics B, 2019, 28(5): 053102.
[2] Liu S, Tang Q *, Wu B B, et al. Raman scattering from highly-stressed anvil diamond[J]. Chinese Physics B, 2021, 30(1): 016301.
[3] Postmus C, Maroni V A, Ferraro J R, et al. High pressure—laser Raman spectra[J]. Inorganic and Nuclear Chemistry Letters, 1968, 4(5): 269–274.
[4] Bridgman P W. Theoretically interesting aspects of high pressure phenomena[M]. Collected Experimental Papers, Volume V. Harvard University Press, 2013: 2809-2842.
[5] Weir C E, Lippincott E R, Van Valkenburg A, et al. Infrared studies in the 1- to 15-micron region to 30,000 atmospheres[J]. Journal of Research of the National Bureau of Standards Section A: Physics and Chemistry, 1959, 63A(1): 55–62.
[6] Mao H K, Bell P M. High-pressure physics: The 1-megabar mark on the ruby R1 static pressure scale[J]. Science, 1976, 191(4229): 851–852.
[7] Mao H K, Hemley R J, Chen L C, et al. X-ray diffraction to 302 GPa: high-pressure crystal structure of cesium iodide[J]. Science, 1989, 246(4930): 649–651.
[8] Dubrovinsky L, Dubrovinskaia N, Prakapenka V B, et al. Implementation of micro-ball nanodiamond anvils for high-pressure studies above 6 Mbar[J]. Nature Communications, 2012, 3(1): 1163.
[9] Dunstan D J. Theory of the gasket in diamond anvil high‐pressure cells[J]. Review of Scientific Instruments, 1989, 60(12): 3789-3795.
[10] Howie R T, Guillaume C L, Scheler T, et al. Mixed molecular and atomic phase of dense hydrogen[J]. Physical Review Letters, 2012, 108(12): 125501.
[11] Loubeyre P, Occelli F, LeToullec R. Optical studies of solid hydrogen to 320 GPa and evidence for black hydrogen[J]. Nature, 2002, 416(6881): 613–617.
[12] Zha C S, Liu Z, Hemley R J. Synchrotron infrared measurements of dense hydrogen to 360 GPa[J]. Physical Review Letters, 2012, 108(14): 146402.
[13] Dalladay-Simpson P, Howie R T, Gregoryanz E. Evidence for a new phase of dense hydrogen above 325 gigapascals[J]. Nature, 2016, 529(7584): 63–67.
[14] Dias R P, Silvera I F. Observation of the Wigner-Huntington transition to metallic hydrogen[J]. Science, 2017, 355(6326): 715–718.
[15] Millot M, Coppari F, Rygg J R, et al. Nanosecond X-ray diffraction of shock-compressed superionic water ice[J]. Nature, 2019, 569(7755): 251–255.
[16] Eremets M I, Gavriliuk A G, Trojan I A, et al. Single-bonded cubic form of nitrogen[J]. Nature Materials, 2004, 3(8):558–563.
[17] Tomasino D, Kim M, Smith J, et al. Pressure-induced symmetry-lowering
transition in dense nitrogen to layered polymeric nitrogen (LP-N) with colossal Raman intensity[J]. Physical Review Letters, 2014, 113(20): 205502.
[18] Laniel D, Winkler B, Fedotenko T, et al. High-pressure polymeric nitrogen allotrope with the black phosphorus structure[J]. Physical Review Letters, 2020, 124(21): 216001.
[19] Ji C, Adeleke A A, Yang L, et al. Nitrogen in black phosphorus structure[J]. Science Advances, 2020, 6(23): eaba9206.
[20] Lei L, Tang Q *, Zhang F, et al. Evidence for a new extended solid of nitrogen[J]. Chinese Physics Letters, 2020, 37(6): 068101.
[21] Laniel D, Geneste G, Weck G, et al. Hexagonal layered polymeric nitrogen phase synthesized near 250 GPa[J]. Physical Review Letters, 2019, 122(6): 066001.
[22] Cheng P, Yang X, Zhang X, et al. Polymorphism of polymeric nitrogen at high pressures[J]. The Journal of Chemical Physics, 2020, 152(24): 244502.
[23] Liu Y, Su H, Niu C, et al. Synthesis of black phosphorus structured polymeric nitrogen[J]. Chinese Physics B, 2020, 29(10): 106201.
[24] Lei L, Liu J, Zhang H. Polymeric nitrogen: a review of experimental synthesis method, structure properties and lattice dynamic characterization from large scientific facilities and extreme spectroscopy perspectives[J]. Energetic Materials Frontiers, 2023, 4(3): 158-168.
[25] Syassen K. Ruby under pressure[J]. High Pressure Research， 2008, 28(2): 75-126.
[26] Mao H.K., Xu J, Bell P.M. Calibration of the ruby pressure gauge to 800 kbar under quasi-hydrostatic conditions[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 1986, 91(B5)：4673-4676.
[27] Akahama Y, Kawamura H. Pressure calibration of diamond anvil Raman gauge to 410 GPa[J]. Journal of Physics: Conference Series, 2010, 215(1): 012195.
[28] Liu S, Tang Q, Wu B, et al. Raman scattering from highly-stressed anvil diamond[J]. Chinese Physics B, 2021, 30(1): 016301.
[29] Dalladay-Simpson, Philip, Ross T. Howie, Eugene Gregoryanz. Evidence for a new phase of dense hydrogen above 325 gigapascals[J]. Nature,529.7584 (2016): 63-67.
[30] Jingyi, Liu., et al. High-Pressure Raman Spectroscopy of hcp Metals.[J]高壓物理學(xué)報，2022, 36(5): 051102.
[31] Liu J, Tao Y, Fan C, et al. High-pressure Raman study of osmium and rhenium up to 200 GPa and pressure dependent elastic shear modulus C 44[J]. Chinese Physics B, 2022, 31(3): 037801.
[32] Wu B, Li Y, Lin Y, et al. Determination of the B4-B1 phase boundary in semiconductors using isothermal compression Raman spectroscopy[J]. Applied Physics Letters, 2025, 126(11).
[33] Wu B, Lin Y, Li Y, et al. Temperature effect of the pressure coefficients for multi-phonon coupling in B3-ZnS[J]. Applied Physics Letters, 2025, 126(10).
[34] Lipia?inen, Tiina, et al. Time-gated Raman spectroscopy for quantitative determination of solid-state forms of fluorescent pharmaceuticalsp[J]. Analytical Chemistry, 2018, 90(7)：4832-4839.
[35] Chalmers, John M, Howell GM Edwards, and Michael D. Hargreaves. Vibrational spectroscopy techniques: basics and instrumentation[J]. Infrared and Raman spectroscopy in forensic science, 2012: 9-44.
[36] Lee, Sung Keun, Peter J. Eng, and Ho-kwang Mao. Probing of pressure-induced bonding transitions in crystalline and amorphous earth materials: insights from X-ray Raman scattering at high pressure[J]. Reviews in Mineralogy and Geochemistry, 2014,78(1):139-174.
[37] Tan, Emily Xi, et al. Surface-Enhanced Raman Scattering-Based Multimodal Techniques: Advances and Perspectives[J]. ACS nano,2014,18(47): 32315-32334.
作者簡介
作者：雷力，王澤瑜
作者單位：四川大學(xué)原子與分子物理研究所
雷力，男，四川大學(xué)原子與分子物理研究所研究員，博士生導(dǎo)師。現(xiàn)任北大中文核心期刊《光散射學(xué)報》編輯部主任、常務(wù)副主編，《高壓物理學(xué)報》編委，中國物理學(xué)會光散射專業(yè)委員會委員，中國化學(xué)學(xué)會高壓化學(xué)專業(yè)委員會成員。主要從事高壓物理與化學(xué)研究，學(xué)術(shù)貢獻包括：（1）提出“廣義壓強"概念，并給出物質(zhì)在廣義壓強下的狀態(tài)方程；（2）開發(fā)低溫壓縮拉曼光譜實驗技術(shù)，用于研究材料的低溫高壓特性；（3）發(fā)現(xiàn)新型高壓固相復(fù)分解反應(yīng)（HSM）與高壓耦聯(lián)反應(yīng)（HPC）；（4）創(chuàng)建科研音樂化的“高壓樂隊"（小紅書、微信公眾號、B站搜索“高壓樂隊"）。
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