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拉曼光譜在碳材料制備研究中的應用

來源:安東帕(上海)商貿(mào)有限公司   2022年05月27日 16:44  

拉曼光譜

在碳材料制備研究中,,常用到TEM,、SEM,、X射線衍射(XRD),、紅外光譜,、X射線光電子能譜(XPS)以及拉曼光譜:

 

這些方法中很多技術都可以起到互補的作用,。例如,,電鏡與XRD、拉曼可以在結構表征中進行互補,。紅外,、XPS和拉曼可以在化學基團的表征中進行互補。有些碳材料具備特殊的發(fā)光性質(zhì),、電性質(zhì)等,,都可以通過一系列的表征手段進行機理解釋,這對于深入理解碳材料的性質(zhì)非常有助,。

 

在這些表征方法中,,拉曼光譜所表達的信息是極其豐富的。并且拉曼的測量方式是非破壞性,、非接觸式的,,因此在過去40多年間有非常多學者投身于碳材料拉曼光譜學的研究。

 

在碳材料制備研究中使用拉曼光譜的主要目的是結構信息的表征,,碳材料特征拉曼峰位所對應的一般性解釋如下:

  • G峰:在1580cm-1附近,,歸屬于碳原子面內(nèi)鍵的伸縮振動模,與石墨化程度有關,;其峰寬與峰強也與缺陷有關,;峰位與碳材料形態(tài)也有一定關系,如在碳納米管中該峰會向低波數(shù)移動,。

  • D峰:在1350cm-1附近,,歸屬于無序誘發(fā)的六邊形布里淵區(qū)的邊界振動模,用于缺陷表征,。

  • ID/G:常用來描述石墨結構中的點缺陷的密集度,。

  • 2D峰(也被稱為G’峰):在2680cm-1附近,用于表征石墨烯樣品中碳原子的層間堆垛方式(或層數(shù)),。

 

拉曼光譜在表征碳材料的晶格缺陷、層數(shù)和形態(tài)等結構信息方面是目前其他分析技術所無法替代的,。目前在碳材料的論文中至少都會有一張拉曼光譜圖,。接下來為大家介紹一個使用安東帕Cora5001拉曼光譜儀檢測石墨烯的實際應用案例,目的是為了評價石墨烯的兩種制備方法,。

 

EXPERIMENT

實 驗 過 程

樣品為2種石墨烯:一種是采用CVD法在硅片上生長的石墨烯,;另一種是采用化學溶液沉積法在玻璃載玻片上生長的石墨烯,。Table1為拉曼光譜采集參數(shù)。

圖1:選用不同LOWESS平滑窗口處理的拉曼光譜

 

 

在碳材料拉曼光譜測試中,,有2點需要額外注意:

  1. 一般在做碳材料拉曼檢測時,,儀器不需要做基線校正設置。因為若遇到一些碳材料的拉曼特征峰較寬時,,進行基線校正可能會除去這種峰,。

     

  2. 需要謹慎選擇光譜平滑參數(shù)。因為平滑有可能會對峰位和峰強造成細微改變,,直接為數(shù)據(jù)分析引入誤差,。常用的平滑方法有S-G平滑、FFT濾波器和LOWESS平滑,。在本案例中使用的是LOWESS平滑,,選擇的平滑窗口越寬(如圖1中的藍色曲線),雖然基線能夠更平滑,,但對于峰強的影響會越大,。在本案例中,取最小的平滑窗口是*優(yōu)的,。因此,,碳材料的光譜處理都需要根據(jù)自身特點做調(diào)整。并且在光譜平滑之前,,數(shù)據(jù)不要進行任何插值處理,,只需從儀器中導出最原始的數(shù)據(jù)即可。

RESULT

實 驗 結 果

不同的石墨烯制備方法[1]有可能會影響其結構特性,,使用Cora5001拉曼光譜儀測試的2種石墨烯樣品的測試結果如圖2和Table2所示,。主要從兩方面進行表征:

圖2:使用CVD法在硅片上生長的石墨烯的拉曼光譜(上);以及使用化學溶液沉積法在玻璃上生長的石墨烯的拉曼光譜(下)

 

 

缺陷分析

在很好的石墨烯中,,D峰是不會出現(xiàn)的,。但從圖2中,可以看到兩個樣品均出現(xiàn)了D峰,,說明都是存在缺陷的[2],。但CVD法制備的石墨烯的ID/G低于化學沉積法石墨烯,因此CVD法石墨烯的缺陷更少[3,4],。

 

G峰也與缺陷有關,,G峰的半峰寬越小,且強度越低,,則缺陷就越少[2],。通過觀察G峰,也可以得出CVD石墨烯缺陷更少的結論。

 

層數(shù)分析

石墨烯的2D峰包含了層數(shù)的信息,。A2.??/A??(峰面積) 的比值越高,,則層數(shù)越少[5],若接近4時就意味著接近單層石墨烯[6],。 2D峰的半峰寬越窄,,則層數(shù)越少[5]。在Table2中,,CVD法合成的石墨烯的峰面積比值A2.??/A??為3.74,,因此,CVD法石墨烯可以被近似的認為是單層石墨烯,。而化學沉積法合成的石墨烯的2D峰的峰寬較寬,,因此該石墨烯的層數(shù)是更多的。

 

因此在本例中CVD法制備的石墨烯要優(yōu)于化學溶液沉積法,。拉曼光譜在碳材料制備研究中已經(jīng)成為了*的表征技術,,也為碳材料的制備方法、制備條件的優(yōu)化提供大量有用數(shù)據(jù),。安東帕Cora5001便攜式拉曼光譜儀希望在更多的科研研究中以及工業(yè)過程監(jiān)控中發(fā)揮應用價值,。

 

References

[1] S. A. Bhuyan, N. Uddin, M. Islam, F. A. Bipasha, S. S. Hossain; Int. Nano. Lett. 2016, 6, 65; DOI: 10.1007/s40089-015-0176-1.


[2] L. G. Cançado, A. Jorio, E. H. Martins Ferreira, F. Stavale, C. A. Achete, R. B. Capaz, M. V. O. Moutinho, A. Lombardo, T. S. Kulmala, A. C. Ferrari; Nano Lett. 2011, 11, 3190; DOI: 10.1021/nl201432g.


[3] A. C. Ferrari; Solid State Commun. 2007, 143, 47; DOI: 10.1016/j.ssc.2007.03.052.


[4] F. Tuinstra, J.L. Koening; J. Chem. Phys. 1970, 53, 1126; DOI: 10.1063/1.1674108.


[5] Y. Hao, Y. Wang, L. Wang, Z. Ni, Z. Wang, R. Wang, C. K. Koo, Z. Shen, J. T. L. Thong; small 2010, 6, 195; DOI: 10.1002/smll.200901173.


[6]  A. Das, B. Chakraborty, A. K. Sood; arXiv preprint 2007; ARXIV: 0710.4160.

 

 

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