مشخصه یابی نانو لوله ‌های کربنی با طیف سنجی رامان

آبان ۱۸, ۱۴۰۱
مریم سادات مرصعی- دکتری نانو شیمی
بدون نظرات

رشد اخیر در تولید نانولوله‌های کربنی تجاری نیاز به تکنیک‌های آنالیزی با قابلیت شناسایی سریع این نانو مواد را افزایش داده است. یکی از مناسب‌ترین روش‌های اولیه برای آنالیز این نانوساختارها، میکروطیف‌سنجی رامان است. طیف سنجی رامان قابلیت شناسایی نانو لوله‌های کربنی و بررسی پارامترهای ساختاری مهم و ویژگی‌هایی از جمله قطر و توزیع قطر، کیفیت ساختاری، درصد نقص، نوع نانولوله کربنی و بسیاری موارد دیگر را دارد. پس اگر می‌خواهید دانش خود را در این زمینه افزایش دهید این مطلب را تا انتها مطالعه بفرمایید.

میکروسکوپ رامان ابزاری قدرتمند برای مطالعه نانومواد کربنی به شیوه‌ای غیرمخرب است. در واقع طیف سنجی رامان به دلیل توانایی ذاتی آن در تشخیص تغییرات بسیار کوچک در ساختار هندسی، هزینه آنالیز پایین و عدم نیاز به آماده‌سازی نمونه به روشی قدرتمند برای مشخصه‌یابی نانوساختارهای کربنی مختلف تبدیل شده است. احتمالا پیش از این با مباحثی همچون کاربرد طیف سنجی رامان در شناسایی نانو مواد کربنی و یا تعییین ضخامت گرافن با استفاده از طیف سنجی رامان برخورد داشته‌اید. اما خوب است بدانید که یکی دیگر از مهمترین کاربردهای تکنیک رامان آنالیز نانو لوله‌های کربنی است. طیف‌سنجی رامان یک روش قدرتمند برای مشخصه یابی و نظارت بر خواص نانو لوله‌های کربنی فراهم می‌کند. حال می‌خواهیم ببینیم که طیف رامان نانو لوله‌ های کربنی حاوی چه اطلاعاتی است؟

مشخصه یابی نانو لوله‌ های کربنی به کمک طیف‌ سنجی رامان

نانولوله‌های کربنی، یکی از آلوتروپ‌های کربن نوع sp^۲ هستند که به دلیل خواص الکتریکی و مکانیکی منحصربه‌فردشان به یکی از جذاب‌ترین نانومواد طراحی‌شده برای کاربردهای مختلف تبدیل شده‌اند. ساختار یک نانو لوله کربنی تک دیواره به صورت یک لایه گرافنی است که به شکل یک استوانه پیچیده شده است. این استوانه عرض نانومتری دارد و می‌تواند ده‌ها میکرومتر طول داشته باشد. نانو لوله‌ ها بسته به ساختارشان می‌توانند عایق، نیمه هادی یا فلزی باشند. تنوع گسترده نانولوله‌های تک دیواره توسط یک جفت عدد صحیح (n,m) تعریف می‌شود که از آن‌ها می‌توان قطر، کایرالیته و رفتار نیمه هادی/فلزی نانولوله‌ها را تعیین کرد. کایرالیته جهت صفحه گرافن پیچیده شده را نسبت به محور اصلی لوله مشخص می‌کند. طیف‌های رامان حاصل وابستگی بسیار قوی به طول موج تحریک دارند و ویژگی‌های موجود در طیف رامان می‌توانند نوع CNT را تشخیص دهند. هنگامی که چندین لایه گرافن در یک لوله پیچیده شوند، ساختار حاصل را نانولوله کربنی چند دیواره می‌نامند.کنترل دقیق اندازه‌های CNT، کایرالیته و کیفیت ساختاری هنوز یکی از چالش‌های اصلی در طول ساخت CNT است. چالشی که وجود دارد یافتن روشی برای مشخصه یابی کامل CNT و آنالیز غیر مخرب آن‌ها به منظور درک ترکیب ساختاری است. میکرو طیف سنجی رامان توانایی انجام این کار را دارد.

مطالعه مقاله چگونه بهترین و مناسب ترین لیزر را در طیف سنجی رامان انتخاب کنیم؟

طیف رامان CNT می‌تواند اطلاعاتی در مورد قطر CNT، کایرالیته، کیفیت ساختاری، ویژگی هادی یا نیمه هادی، تبلور و درجه عامل دار شدن CNT ارائه دهد. چهار باند اصلی در طیف رامان نمونه‌های CNT مشاهده می‌شود. یکی از ویژگی‌های اصلی طیف رامان نانولوله‌های کربنی، حضور یک باند مربوط به حالت تنفس شعاعی (RBM) است که نشان دهنده انبساط-انقباض شعاعی یک نانولوله می‌باشد. این باند اهمیت بسیار بالایی دارد. زیرا نشانگر وجود نانو لوله‌ های کربنی تک دیواره است و در طیف سایر مواد گرافیت مانند وجود ندارد. باند RBM در محدوده(cm^-۱) ۱۲۰-۳۲۰ دیده می‌شود و فرکانس باند RBM مستقیما با قطر CNT مرتبط است. باند G یکی از باندهای رامان اصلی در مواد گرافیت مانند است که در محدوده (cm^-۱) ۱۵۸۰ ظاهر می‌شود. در نانو لوله‌ های کربنی تک دیواره، این باند دو بخش اصلی ⁺G و ^–G دارد که یک باند قوی‌تر در (cm^-۱) ۱۵۹۰مرتبط با ارتعاش اتم‌های کربن در طول محور نانولوله و یک باند ضعیف‌تر در (cm^-۱) ۱۵۷۰ مربوط به ارتعاشات اطراف محیط نانولوله است. شکل باند G و مشخصات فرکانس آن می‌تواند برای تخمین فلزی یا نیمه رسانا بودن CNT استفاده شود و یا به صورت تقریبی قطر نانولوله را تخمین بزند. به دلیل قوانین انتخاب رامان، باند D ظاهر شده در محدوده (cm^-۱) ۱۳۲۰-۱۳۷۰ یک باند رامان ممنوعه در نانولوله‌های ایده‌آل است و برای دیده شدن در طیف رامان نیاز به یک نقص دارد. بنابراین نسبت باند D/G می‌تواند به طور مستقیم به عنوان معیاری از خلوص و کیفیت ساختاری نانولوله کربنی عمل کند. باند ′G اورتون (overtone) اول باند D است و در محدوده (cm^-۱) ۲۷۰۰ مشاهده می‌شود. با این حال بر خلاف باند D، برای نمایش در طیف رامان نیازی به وجود نقص ندارد. باند ′G را می‌توان برای بررسی ساختار الکترونی CNT و تأیید کایرالیته CNT استفاده کرد. بنابراین محاسبه پارامترهای ساختاری CNT مستقیما از طیف‌های رامان اندازه‌گیری شده امکان‌پذیر است.

مطالعه مقاله انواع طیف‌سنجی رامان

رزولوشن طیفی در طیف رامان نانو لوله‌ های کربنی

برای جداسازی باندهای بسیار نزدیک در طیف نانولوله‌های کربنی تک دیواره و چند دیواره وضوح طیفی بالا مورد نیاز است. در شکل زیر باند RBM با استفاده از ۲ توری مختلف با وضوح طیفی متفاوت ثبت شده است. واضح است که طیف با وضوح طیفی بالاتر اطلاعات بیشتری را در مورد این نمونه نشان می‌دهد. برای این که با مبحث وضوح طیفی و کارکرد آن در میکروسکوپ رامان بیشتر آشنا شوید، به شما پیشنهاد می‌کنیم که مقاله میکروسکوپ رامان SRM را بخوانید. میکرو طیف سنج های رامان SRM در این صفحه قرار داده شده‌اند. در شکل زیر این طیف مجموعه‌ای از حداقل سه نانولوله مختلف را نشان می‌دهد.

**شکل ۳: باند RBM نانولوله‌کربنی با ۲ توری مختلف با وضوح طیفی متفاوت**

تعیین توزیع قطر نانو لوله‌ های کربنی با استفاده از طیف رامان

باند RBM نمونه‌های نانولوله کربنی ناحیه طیفی حدود (cm^-۱) ۱۲۰-۳۲۰ را در بر می‌گیرد. از آن جایی که فرکانس RBM با قطر نانولوله کربنی ارتباط دارد، قطر CNT را می‌توان از روی فرکانس باند RBM با استفاده از رابطه زیر تخمین زد:

که در این رابطه νRBM فرکانس باند RBM بر حسب cm^-۱ و dCNT قطر CNT بر حسب نانومتر است. محدوده فرکانس RBM مشاهده شده از مجموعه ای از نانولوله‌های کربنی با قطرهای مختلف ناشی می‌شود. بنابراین اگر پهنای باند RBM نانولوله‌ کربنی را بدانیم، می‌توانیم مستقیما توزیع قطر نانولوله‌های کربنی را از پروفایل باند RBM تخمین بزنیم.

**شکل ۴: تعیین توزیع قطر نانولوله‌های کربنی از روی طیف رامان**

جمع بندی

طیف سنجی رامان روشی مؤثر، قابل اعتماد و غیرمخرب برای مشخصه یابی نانولوله‌های کربنی است که نیاز به آماده‌سازی نمونه ندارد. سیستم رامان پتانسیل بالایی در توصیف ساختار نانولوله‌های کربنی دارد و اطلاعات جامعی به منظور کنترل کیفیت نانولوله‌های کربنی برای کاربردهای خاص فراهم می‌سازد. بسته به پیکربندی سیستم رامان مورد استفاده، می‌توان طیف گسترده‌ای از اطلاعات را در مورد نانولوله‌های کربنی به دست آورد. میکروسکوپ رامان تکرام ۵۳۲ می‌تواند این نیازها را برای شما برآورده سازد.