引言
碳納米材料，如石墨烯、石墨和碳納米管(圖 1)，具有獨(dú)特的物理和熱特性，使其成為電池制造、建筑和運(yùn)動(dòng)設(shè)備等不同行業(yè)的關(guān)鍵組成部分。隨著這些材料越來(lái)越廣泛地用于制造業(yè)，對(duì)簡(jiǎn)單、an全和穩(wěn)健的表征方法的需求也日益增長(zhǎng)。
拉曼光譜是表征碳納米材料的有效手段之一，因?yàn)樗跍y(cè)試時(shí)具有快速、選擇性和非破壞性等特性。通常而言，碳材料的拉曼光譜相對(duì)簡(jiǎn)單，但也可以根據(jù)峰的位置、形狀和相對(duì)強(qiáng)度揭示大量有關(guān)內(nèi)部微晶結(jié)構(gòu)的信息。基于石累烯材料的拉曼光譜可以通過(guò)三個(gè)主要峰來(lái)表征:G帶、D帶和 2D 帶。G帶出現(xiàn)在于約 1580cm-1處，代表的是sp2雜化碳原子的石墨烯面內(nèi)彎曲振動(dòng)。在高品質(zhì)的石墨烯中，G帶的峰形非常尖銳，表明高結(jié)晶度。G帶的位置也與石墨烯層數(shù)有關(guān)，但與激光激發(fā)無(wú)關(guān)。D 帶可以被認(rèn)為是石墨烯樣品內(nèi)無(wú)序結(jié)構(gòu)的量度。代表的是石墨烯中 sp2雜化碳原子環(huán)的環(huán)呼吸振動(dòng)模式。如果要在石黑烯的光譜中觀察到 D帶，石黑烯中必定有一個(gè)缺陷，或者該模式已接近邊緣。而在原始的石墨烯中，D帶是不可見的。D 帶是色散的，這意味著它容易受到實(shí)驗(yàn)中所使用的激光激發(fā)的影響。2D 帶是D帶的倍頻峰，但與D帶不同的是，它不需要靠近缺陷即可激活，2D帶的峰形可以用來(lái)識(shí)別層的厚度。與D帶一樣，2D 帶也是色散的，因此它將隨著不同的激光激發(fā)而略有變化。
圖1.各種碳素異形體的結(jié)構(gòu) Experiment
拉曼光譜學(xué)概述
一個(gè)用于獲取數(shù)據(jù)的拉曼系統(tǒng)由 532nm激光器、光纖拉曼探頭和高性能的探測(cè)器組成。通常會(huì)選擇 532nm激光器來(lái)對(duì)碳元素進(jìn)行拉曼測(cè)量。也可選用一個(gè)外罩裝置，可將安quan等級(jí)為3b級(jí)激光器作為1級(jí)激光器使用。使得這種配置系統(tǒng)可以用于教育機(jī)構(gòu)或像生產(chǎn)車間一樣的活動(dòng)場(chǎng)所。典型的激光功率是~35mW，采集時(shí)間為 30-90s。
碳納米材料的拉曼光譜
D帶代表石墨烯樣品中結(jié)構(gòu)的無(wú)序程度，而G帶代表結(jié)構(gòu)的有序程度。因此，D 帶和 G 帶強(qiáng)度的比值（lD/lG）可作為確定石墨烯樣品質(zhì)量的半定量參數(shù)，lD/lG隨樣品內(nèi)無(wú)序結(jié)構(gòu)的增加而增加，可作為生產(chǎn)環(huán)境中快速質(zhì)量控制的參數(shù)。
圖2顯示了一些碳納米材料的拉曼光譜。原始石墨烯的光譜(紅色光譜)只包含G帶和 2D 帶;沒出現(xiàn)D帶。此外，2D 帶的強(qiáng)度與G帶的強(qiáng)度比(l2D/lG)≈2。石墨的光譜(綠色光譜)的特點(diǎn)是 2D 帶變寬和不對(duì)稱，而且l2D/lG要低得多。碳納米管的光譜(黑色光譜)是卷起的石墨烯管，表現(xiàn)出為G帶有輕微分裂。G帶被單壁碳納米管(SWCNTS)的曲率分成兩種簡(jiǎn)并模式 G+和 G-。碳黑(藍(lán)色光譜)具有輕微的結(jié)構(gòu)有序，表現(xiàn)出較強(qiáng)的D帶，因此具有較高的lD/lG。值得注意的是如使用 532nm 以外其他不同的激光進(jìn)行這些測(cè)量，由于其色散的特性，D帶和 2D 帶的位置會(huì)略有變化。
圖2.石墨烯(紅色)、碳納米管(黑色)、石墨(綠色)和碳黑(藍(lán)色)的拉曼光譜。
lD/lG的確定
使用拉曼光譜計(jì)算lD/lG的指南被記錄在ASTM E3220-20《Standard Guidefor Characterization ofGrapheneFlakes》。在確定峰強(qiáng)度之前，采用 BWSpec軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行基線去除，去除基線后再測(cè)量光譜的D帶和G帶的峰強(qiáng)度，進(jìn)而可以計(jì)算出lD/lG。
在 BWSpec軟件可設(shè)置報(bào)lD、lG的值，并采集的光諧中計(jì)算得到lD/lG。為便于報(bào)告，計(jì)算結(jié)果也可以導(dǎo)出到表格。表1顯示了在軟件生成的表格。
在圖 3 中，碳納米纖維光譜的特點(diǎn)是 G 帶的不對(duì)稱性。圖（a）的lD/lG特別高，表明該碳納米纖維樣品中存在著相當(dāng)程度的無(wú)序結(jié)構(gòu)。碳黑樣品的光譜由寬 D 帶和 G 帶確定，表明樣品中的結(jié)晶度很低。光譜（a）的lD/lG特別高，表明該納米纖維樣品內(nèi)存在高度的結(jié)構(gòu)紊亂。碳黑樣品測(cè)到的lD/lG都在 0.5 以上，表明樣品中存在無(wú)序結(jié)構(gòu)。在石墨烯、石墨、碳納米管和碳黑粉的制造中，通過(guò)離線或在線測(cè)量，lD/lG的值可以作為快速的質(zhì)量控制測(cè)試項(xiàng)。
結(jié)論
拉曼光譜已經(jīng)發(fā)展成為表征碳納米材料的一種有價(jià)值的技術(shù)。碳的拉曼光譜也非常簡(jiǎn)單，通常只有三個(gè)特征峰。峰的強(qiáng)度、形狀和位置揭示了有關(guān)樣品內(nèi)部結(jié)晶度的信息。研究人員和制造商可以利用樣品的lD/lG的值來(lái)表征他們的碳納米材料。
