8.7: Характеристика графена методом спектроскопії комбінаційного випромінювання

Last updated
Save as PDF

Page ID: 18859

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Графен - квазідвовимірний матеріал, який містить шари атомів вуглецю, розташовані в шестичленних кільцях (рис.\(\PageIndex{1}\)). З тих пір, як був виявлений Андре Геймом та співробітниками Манчестерського університету, графен став однією з найбільш захоплюючих тем досліджень через свою відмінну структуру смуги та фізичні властивості, такі як спостереження за ефектом квантового залу при кімнатній температурі, перебудовуваний розрив смуги та висока мобільність носія.

Малюнок\(\PageIndex{1}\) Ідеалізована структура одного графенового аркуша. Авторське право: Кріс Евелс (www.ewels.info).

Графен може бути охарактеризований багатьма методами, включаючи атомно-силову мікроскопію (AFM), просвічувальну електронну мікроскопію (TEM) та спектроскопію Рамана. AFM може бути використаний для визначення кількості шарів графена, а зображення TEM можуть показати структуру та морфологію графенових листів. Однак багато в чому спектроскопія Рамана є набагато важливішим інструментом для характеристики графена. Перш за все, спектроскопія комбінаційного випромінювання є простим інструментом і вимагає невеликої підготовки проб. Більше того, спектроскопія комбінаційного випромінювання може бути використана не тільки для визначення кількості шарів, але також може визначити, чи є структура графену ідеальною, і якщо азот, водень або інша функціональність успішна.

Рамановий спектр графена

У той час як спектроскопія Рамана є корисною технікою для характеристики sp2 та sp3 гібридизованих атомів вуглецю, включаючи ті, що містяться в графіті, фулеренах, вуглецевих нанотрубках та графені. Одно-, подвійні та багатошарові графени також були диференційовані за своїми раманськими відбитками пальців.

\(\PageIndex{2}\)На малюнку показаний типовий спектр комбінаційного випромінювання N-легованого одношарового графена. D-режим з'являється приблизно на рівні 1350 см-1, а G-режим з'являється приблизно на рівні 1583 см-1. Інші режими комбінаційного керування знаходяться на рівні 1620 см-1 (режим D'), 2680 см-1 (2D-режим) та 2947 см-1 (D+G-режим).

Малюнок спектра\(\PageIndex{2}\) Рамана з довжиною хвилі лазера збудження 514,5 нм з N-легованого одношарового графена.

G-діапазон

G-режим знаходиться на рівні приблизно 1583 см-1, і обумовлений режимом E2g в γ-точці. G-діапазон виникає внаслідок розтягування зв'язку C-C у графітових матеріалах і є загальним для всіх вуглецевих систем sp2. G-діапазон дуже чутливий до деформаційних ефектів в системі sp2, і, таким чином, може бути використаний для зондування модифікації на плоскій поверхні графена.

Індуковані розладом D-діапазону та d'-діапазону

D-режим викликаний невпорядкованою структурою графена. Наявність розладу в sp2-гібридизованих вуглецевих системах призводить до резонансних спектрів комбінаційного випромінювання, і, таким чином, робить спектроскопію Рамана однією з найбільш чутливих методів для характеристики розладу в вуглецевих матеріалах sp2. Як показує порівняння Figure\(\PageIndex{2}\) і Figure\(\PageIndex{3}\), в спектрах комбінаційного випромінювання графену з досконалою структурою немає піку D.

Малюнок спектра\(\PageIndex{3}\) Рамана з довжиною хвилі лазера збудження 514,5 нм незайманого одношарового графена.

Якщо в графені є якісь випадково розподілені домішки або поверхневі заряди, G-пік може розділитися на два піки, G-пік (1583 см-1) і d'-пік (1620 см-1). Основна причина полягає в тому, що локалізовані коливальні режими домішок можуть взаємодіяти з розширеними фононними режимами графену, що призводить до спостережуваного розщеплення.

2D-смуга

Всі види вуглецевих матеріалів sp2 демонструють сильний пік в діапазоні 2500 - 2800 см-1 в спектрах Рамана. У поєднанні з G-діапазоном цей спектр є сигнатурою Рамана графітових матеріалів sp2 і називається 2D-діапазоном. 2D-смуга є двофононним процесом другого порядку і проявляє сильну частотну залежність від енергії лазера збудження.

Більше того, 2D смуга може бути використана для визначення кількості шару графена. Це головним чином тому, що в багатошаровому графені форма 2D смуги значно відрізняється від форми в одношаровому графені. Як показано на малюнку\(\PageIndex{4}\), 2D смуга в одношаровому графені набагато інтенсивніша та чіткіша порівняно з 2D смугою в багатошаровому графені.