拉曼光譜在碳材料制備研究中的應用
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光性質、電性質等,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;峰位與碳材料形態也有一定關系,如在碳納米管中該峰會向低波數移動。
D峰:在1350cm-1附近,歸屬于無序誘發的六邊形布里淵區的邊界振動模,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)。
拉曼光譜在表征碳材料的晶格缺陷、層數和形態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。
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:
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。
需要謹慎選擇光譜平滑參數。因為平滑有可能會對峰位和峰強造成細微改變,直接為數據分析引入誤差。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最優的。因此,碳材料的光譜處理都需要根據自身特點做調整。并且在光譜平滑之前,數據不要進行任何插值處理,只需從儀器中導出最原始的數據即可。
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
在非常完美的石墨烯中,D峰是不會出現的。但從圖2中,可以看到兩個樣品均出現了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。
層數分析
石墨烯的2D峰包含了層數的信息。A2.