拉曼光谱在碳材料制备研究中的应用
时间：2022-05-27 阅读：2515
拉曼光谱
在碳材料制备研究中，常用到TEM、SEM、X射线衍射（XRD）、红外光谱、X射线光电子能谱（XPS）以及拉曼光谱：
这些方法中很多技术都可以起到互补的作用。例如，电镜与XRD、拉曼可以在结构表征中进行互补。红外、XPS和拉曼可以在化学基团的表征中进行互补。有些碳材料具备特殊的发光性质、电性质等，都可以通过一系列的表征手段进行机理解释，这对于深入理解碳材料的性质非常有助。
在这些表征方法中，拉曼光谱所表达的信息是极其丰富的。并且拉曼的测量方式是非破坏性、非接触式的，因此在过去40多年间有非常多学者投身于碳材料拉曼光谱学的研究。
在碳材料制备研究中使用拉曼光谱的主要目的是结构信息的表征，碳材料特征拉曼峰位所对应的一般性解释如下：
-
G峰：在1580cm-1附近，归属于碳原子面内键的伸缩振动模，与石墨化程度有关；其峰宽与峰强也与缺陷有关；峰位与碳材料形态也有一定关系，如在碳纳米管中该峰会向低波数移动。
-
D峰：在1350cm-1附近，归属于无序诱发的六边形布里渊区的边界振动模，用于缺陷表征。
-
ID/G：常用来描述石墨结构中的点缺陷的密集度。
-
2D峰（也被称为G’峰）：在2680cm-1附近，用于表征石墨烯样品中碳原子的层间堆垛方式（或层数）。
拉曼光谱在表征碳材料的晶格缺陷、层数和形态等结构信息方面是目前其他分析技术所无法替代的。目前在碳材料的论文中至少都会有一张拉曼光谱图。接下来为大家介绍一个使用安东帕Cora5001拉曼光谱仪检测石墨烯的实际应用案例，目的是为了评价石墨烯的两种制备方法。
EXPERIMENT
实 验 过 程
样品为2种石墨烯：一种是采用CVD法在硅片上生长的石墨烯；另一种是采用化学溶液沉积法在玻璃载玻片上生长的石墨烯。Table1为拉曼光谱采集参数。
图1：选用不同LOWESS平滑窗口处理的拉曼光谱
在碳材料拉曼光谱测试中，有2点需要额外注意：
-
一般在做碳材料拉曼检测时，仪器不需要做基线校正设置。因为若遇到一些碳材料的拉曼特征峰较宽时，进行基线校正可能会除去这种峰。
-
需要谨慎选择光谱平滑参数。因为平滑有可能会对峰位和峰强造成细微改变，直接为数据分析引入误差。常用的平滑方法有S-G平滑、FFT滤波器和LOWESS平滑。在本案例中使用的是LOWESS平滑，选择的平滑窗口越宽（如图1中的蓝色曲线），虽然基线能够更平滑，但对于峰强的影响会越大。在本案例中，取最小的平滑窗口是*优的。因此，碳材料的光谱处理都需要根据自身特点做调整。并且在光谱平滑之前，数据不要进行任何插值处理，只需从仪器中导出最原始的数据即可。
RESULT
实 验 结 果
不同的石墨烯制备方法[1]有可能会影响其结构特性，使用Cora5001拉曼光谱仪测试的2种石墨烯样品的测试结果如图2和Table2所示。主要从两方面进行表征：
图2：使用CVD法在硅片上生长的石墨烯的拉曼光谱（上）；以及使用化学溶液沉积法在玻璃上生长的石墨烯的拉曼光谱（下）
缺陷分析
在很好的石墨烯中，D峰是不会出现的。但从图2中，可以看到两个样品均出现了D峰，说明都是存在缺陷的[2]。但CVD法制备的石墨烯的ID/G低于化学沉积法石墨烯，因此CVD法石墨烯的缺陷更少[3,4]。
G峰也与缺陷有关，G峰的半峰宽越小，且强度越低，则缺陷就越少[2]。通过观察G峰，也可以得出CVD石墨烯缺陷更少的结论。
层数分析
石墨烯的2D峰包含了层数的信息。A2.𝐷/A𝐺（峰面积） 的比值越高，则层数越少[5]，若接近4时就意味着接近单层石墨烯[6]。 2D峰的半峰宽越窄，则层数越少[5]。在Table2中，CVD法合成的石墨烯的峰面积比值A2.𝐷/A𝐺为3.74，因此，CVD法石墨烯可以被近似的认为是单层石墨烯。而化学沉积法合成的石墨烯的2D峰的峰宽较宽，因此该石墨烯的层数是更多的。
因此在本例中CVD法制备的石墨烯要优于化学溶液沉积法。拉曼光谱在碳材料制备研究中已经成为了*的表征技术，也为碳材料的制备方法、制备条件的优化提供大量有用数据。安东帕Cora5001便携式拉曼光谱仪希望在更多的科研研究中以及工业过程监控中发挥应用价值。
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.