赛默飞世尔科技“拉曼光谱在碳材料方面的应用”网络讲座

2011-6-08 16:46 来源: 分析测试百科
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  6月2日下午,赛默飞世尔科技借分析测试百科网这一平台成功举办了本月第一场网络视频讲座——拉曼光谱碳材料方面的应用。赛默飞世尔科技张衍亮博士为大家介绍了拉曼光谱如何表征碳纳米材料诸如碳纳米管与石墨烯的物理与化学结构,以及赛默飞世尔新型DXR激光拉曼光谱仪在碳纳米材料领域的技术特点。

  拉曼光谱原理介绍

  光照射到物质上发生弹性散射和非弹性散射。弹性散射即瑞利散射,非弹性散射即拉曼散射。拉曼光谱(Raman spectra),是一种散射光谱。拉曼光谱分析法是基于印度科学家C.V.拉曼(Raman)所发现的拉曼散射效应,对与入射光频率不同的散射光谱进行分析以得到分子振动、转动方面信息,并应用于分子结构研究的一种分析方法。

  拉曼光谱能表征共价键振动信息(化学键或者晶格振动),它对对称振动、键角键能的轻微改变较为敏感。碳纳米材料是由对称的碳碳共价键构成,这些材料的结构即使发生微小的变化也能用拉曼光谱检测到,从而使拉曼光谱成为碳纳米材料表征的强大工具。

  碳材料拉曼光谱信息

  拉曼光谱可以区分不同物质分子。具有相同四面体结构的金刚石、锗与单晶硅的拉曼光谱峰型类似但是拉曼位移的位置不同,拉曼光谱峰呈现向低波数位移。

  拉曼光谱还可以区分碳材料的同素异形体,D波段可能代表SP3键(四面体结构)或者杂化缺陷的SP2键(石墨烯边缘结构),G波段代表SP2键(平面体结构)。

  接下来张博士分别举例针对其他形式的碳,通过拉曼光谱同样可获得很多信息。

  1、纳米金刚石晶体

纳米金刚石晶体拉曼光谱图

  拉曼光谱对形态差异非常敏感,纳米金刚石的SP3键更多地位于表面,SP3键轻微移动便伴随新模式的出现,1620cm-1代表局限性的SP2缺陷模式,500cm-1代表无定形SP3

  2、类金刚石(DLC)

  类金刚石同时包含SP2与SP3键。

  3、富勒烯

  通过比较C60和C70拉曼光谱图,可得到C60的分子结构比C70更有序.

  4、石墨烯

石墨烯/石墨拉曼光谱图

  石墨烯是包括石墨在内的多种重要碳材料的基本结构单元:堆栈成三维石墨,卷曲成一维单壁碳管,零维富勒烯。从G'波段可以看出,石墨烯只有一个次级结构,多层石墨有多重次级结构。G'波段线性依赖于石墨烯的厚度。

  5、碳纳米管

单壁碳纳米管和多壁碳纳米管示意图

  单壁碳纳米管是由单层石墨烯卷曲形成的封闭结构,多壁碳纳米管则有多层单壁碳纳米管卷曲形成。从下图可知,单壁碳管主要由SP2键组成,有些缺陷(D波段),并呈现许多新模式。呼吸模(RBM)与碳管伸缩振动有关系,表征碳管管径。

  单壁碳管可呈现出金属与半导体特性,取决于卷曲碳管的石墨烯手性,多壁碳管不呈现呼吸模。

  拉曼测量过程

  张博士接下来简单介绍了样品的制备、测量过程。样品通常可以放置于大气环境中测量,一般无需制备样品。样品通常放置于显微镜下测试,松散的样品可以用载玻片压一下,碳材料可以放置于载玻片上。

  拉曼测量过程中,激光强度直接影响测样的效率。激光功率密度高,测样时间短。大部分碳纳米材料易受激光功率灼烧,所以到样品功率不能太高。不同激发波长会产生共振效应,RBM模与G'波段的共振效应更强。通过拉曼光谱不仅可以快速检测单壁碳管纯度而且还可快速判定石墨烯层数。

  报告最后,张博士作了简单的总结:拉曼测试无需制样,测试速度快,拉曼光谱是表征碳材料的独特工具。

  Q&A

  网友:拉曼光谱在表征纳米碳纤维方面有什么应用么?

  张衍亮博士:纳米碳纤维是可以用拉曼光谱来表征的,因受拉伸,纳米碳纤维的分子振动,这种振动表现在拉曼峰位的位移,位移的量是跟应力和应键是成正比的。

  网友:拉曼光谱中界定单壁碳纳米管金属性和半导体性相对含量的方法,有些文献中通过RBM进行判断的,但是感觉界定不是很准确,

  张衍亮博士:结合上述方法,还可借助其他的拉曼模式强弱变化来判断单壁碳纳米管金属性和半导体性。没有金属特性的材料相应波段强度不会很强。

  网友:采用显微拉曼,经常遭遇样品的不均匀性,测试不同的位置时,谱图差异性很大,这种情况下该如何选择和判断?

  张衍亮博士:有以下几种情况导致谱图差异性。一)样品的差异,用显微拉曼测试样品,真正聚焦的区域直径只有1微米,如果聚焦区域的样品可能存在很大的不均匀性。2)测定每一点位时的拉曼聚焦是不是很好聚焦不是很好,强度会发生变化,如果整体强度变化不会有很大关系。3)激光的热效应,检测时间长短也会影响检测。综合评价谱图差异性主要体现在样品的不均匀。如果看综合信息,我这里可以介绍一个方法,就是做统计光谱。比如做十个点拉曼成像,十张光谱相加,然后统计出来得到一个平均峰进而进行判断。针对统计光谱细节问题,建议大家去下载一下omnic软件。它具备统计光谱功能,是一个很不错的软件。

  网友:有些木粉碳材料颗粒度比较大,如何保证在测量时候不影响光学镜头?

  张衍亮博士:针对粒径大的粉末可以用载玻片压一下,如果是颗粒,则需要借助其他的手段来测量,如可以采用50倍的长焦物镜来做,或者用10倍的低倍物镜测,需将曝光时间调短一些。第二种方案就是运用50倍的标准物镜,需聚焦到颗粒表面的最高位置。

  本网收录相关产品:DXR 激光显微拉曼光谱仪

  六月份期间,赛默飞世尔科技(中国)有限公司还将在分析测试百科网举办三场光谱分析网络讲座,届时您将了解到赛默飞世尔科技光谱分析产品的新技术、新应用。欢迎您注册参加!

  网络讲座日程安排

  6月9日 (周四) 15:00 《红外光谱在定量分析工作上的应用》 沈怡 博士

  6月16日 (周四) 15:00 《近红外光谱在制药行业的应用潘璐》 产品专家

  6月23日 (周四) 15:00 《拉曼光谱在药学方面的应用》 张衍亮 博士

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