تاثیر توان لیزر بر طیف رامان نانو مواد کربنی

آبان ۲۴, ۱۴۰۱
مریم سادات مرصعی- دکتری نانو شیمی
بدون نظرات

طیف سنجی رامان به دلیل اطلاعات گسترده‌ای که در زمینه نانو مواد کربنی ارائه می‌دهد، محبوبیت زیادی یافته است. اما نکته مهمی که باید به آن توجه کنید این است که هنگام شناسایی نانو مواد کربنی با طیف‌ سنجی رامان، توان لیزر تحریک بر روی طیف رامان تاثیر قابل توجهی می‌گذارد. بنابراین کنترل دقیق توان لیزر در زمان طیف‌گیری از اهمیت بالایی برخوردار است. در ادامه چگونگی تاثیر توان لیزر بر طیف رامان چند نمونه از نانو مواد کربنی مختلف را شرح می‌دهیم. پس تا انتهای این مطلب با ما همراه باشید.

همان طور که می‌دانید یکی از سریع‌ترین و دقیق‌ترین روش‌ها برای بررسی نانوساختارهای کربنی استفاده از طیف سنجی رامان است و معمولا برای آنالیز نانو مواد کربنی از میکروسکوپ‌های رامان ۵۳۲ استفاده می‌شود که در نمونه فلورسانس ایجاد نمی‌کنند. اگر علاقه مند هستید که در مورد انتخاب مناسب ترین لیزر در طیف سنجی رامان بیشتر بدانید،‌ پیشنهاد می‌کنیم که این مطلب را مطالعه نمایید. اما علاوه بر اهمیت انتخاب طول موج لیزر مناسب، انتخاب توان لیزر مناسب مسئله مهم دیگری است که قبل از شروع شناسایی نانو مواد کربنی باید به آن دقت کنید. در ادامه برای درک اهمیت این موضوع ابتدا شما را با چند نمونه از تغییرات طیفی ناشی از توان‌های لیزر مختلف در نانو مواد کربنی آشنا می‌کنیم و سپس علت بروز این تغییرات و چگونگی کنترل آن‌ها را بیان می‌کنیم.

تاثیر توان لیزر بر طیف رامان گرافن،‌ گرافن اکسید و گرافن اکسید کاهش یافته

طیف سنجی رامان تکنیکی است که برای مطالعه طیف وسیعی از مواد استفاده می‌شود که یکی از آن‌ها گرافیت و مشتقات آن مانند گرافن و گرافن اکسید است. همان طور که پیش از این هم اشاره شد باید بدانید که هنگام آنالیز نانو مواد کربنی مختلف با میکروسکوپ رامان، توان لیزر روی طیف رامان حاصل تاثیر می‌گذارد. به عنوان مثال در شکل زیر تاثیر توان لیزر بر روی سه نمونه گرافن چند لایه (MLG)، گرافن اکسید چند لایه (MLGO) و گرافن اکسید چند لایه کاهش یافته (rMLGO) مورد بررسی قرار گرفته است. در هر سه نمونه با افزایش توان لیزر شدت باند G ظاهر شده در محدوده (cm^-۱) ۱۵۸۵ افزایش یافته است. علاوه بر این با افزایش توان لیزر در طیف گرافن اکسید چند لایه و گرافن اکسید چند لایه کاهش یافته شدت باندهای D و ‘D نیز به ترتیب در (cm^-۱) ۱۳۵۴ و (cm^-۱) ۱۶۲۰ افزایش قابل توجهی داشته است.

**شکل ۱: تاثیر توان‌ لیزر بر طیف رامان گرافن چند لایه، گرافن اکسید چند لایه و گرافن اکسید چند لایه کاهش یافته**

از آن جایی که باند G یکی از مهم‌ترین باندها برای مشخصه‌ یابی نانو مواد کربنی است و در طیف رامان اکثر این ترکیبات حضور دارد، بنابراین تاثیر توان لیزر را بر روی باند G به صورت اختصاصی بررسی می‌کنیم. در شکل ۲(a) با تغییر توان لیزر موقعیت باند G در نمونه گرافن چند لایه تغییرات جزئی نشان می‌دهد اما در نمونه‌های گرافن اکسید چند لایه و گرافن اکسید چند لایه کاهش یافته تغییرات قابل توجهی مشاهده می‌شود. می‌توان گفت که تغییرات فیزیکوشیمیایی ناشی از اکسیژناسیون گرافن، حالت‌های اتصال شبکه کریستالی مواد را تغییر داده، نقص‌هایی را ایجاد کرده و یا طول پیوندها و شبکه کریستالی را تغییر داده است. در نتیجه نمونه گرافن اکسید چند لایه تأثیرپذیری بیشتری از شدت لیزر تابشی دارد. در نمونه rMLGO با وجود کاهش حرارتی یک دوپینگ اکسیژن در ماتریس باقی مانده است که باعث ایجاد اثرات غیرخطی در توان‌های لیزر پایین‌تر می‌شود. در واقع با اعمال توان‌های مختلف لیزر بر روی MLGO، MLG و rMLGO، تغییراتی در دمای نمونه‌ها ایجاد می‌شود که باعث تغییر در موقعیت پیک رامان می‌شود. شکل ۲(b) نیز نشان می‌دهد که با تغییر توان لیزر پهنای باند G در نمونه‌ها تغییر کرده است که میزان تغییرات در دو نمونه MLGO و rMLGO شدیدتر بوده است. در شکل ۲(c) با تغییر توان لیزر، نمونه MLG مشخصه‌های ارتعاشی (موقعیت پیک G) را حفظ می‌کند و تنها پراکندگی را افزایش می‌دهد. در MLGO ارتعاشات تغییر می‌کند و پراکندگی را افزایش می‌دهد. نمونه rMLGO هم تمایل به بازگشت به ارتعاش MLG را دارد. اما همچنان پراکندگی بالاتری را نشان می‌دهد زیرا گروه‌های عاملی به صورت کامل توسط فرآیند حرارتی حذف نشده‌اند.

مطالعه مقاله طیف سنجی رامان و کمک آن به رشد مفید گیاهان

شکل ۲: تاثیر توان لیزر بر موقعیت و پهنای باند G در گرافن چند لایه، گرافن اکسید چند لایه و گرافن اکسید چند لایه کاهش یافته

علت تغییر طیف رامان نانو مواد کربنی در اثر بالا رفتن توان لیزر

به طور کلی بالا بودن توان لیزر در هنگام بررسی نانو ساختارهای کربنی می‌تواند دو نوع تاثیر بر روی طیف‌های رامان حاصل داشته باشد: تغییرات ساختاری و اثرات حرارتی. در ادامه هر یک از این اثرات را با جزئیات بیشتری بررسی می‌کنیم.

ایجاد تغییرات ساختاری

ساختار نمونه در یک سری از مواد خاص ممکن است در اثر بالا بودن توان لیزر تغییر کند یا آسیب ببیند. لیزر ممکن است نمونه را بسوزاند و سوراخی را در نمونه به وجود آورد و یا آسیب جزئی ایجاد کند. بنابراین امکان دارد طیف‌های رامان حاصل با طیف واقعی نمونه متفاوت باشد و در نتیجه باعث تفسیر اشتباه شود. شکل ۳ نمونه‌ای از این تغییر طیفی را در نمونه فولرن (C_۶۰) نشان می‌دهد. C_۶۰ یک نانو ماده کربنی بسیار حساس است و هنگامی که مقدار ۰/۵ میلی وات انرژی لیزر بر آن اعمال می‌شود، شروع به تبدیل شدن به ساختارهای دیگر مانند کربن آمورف می‌کند. بنابراین باید از توان‌های لیزر پایین‌تر برای آنالیز آن استفاده شود.

تاثیر توان لیزر بر طیف رامان فولرن (C60) — **شکل ۳: تاثیر توان لیزر بر طیف رامان فولرن (C_۶۰)**

ایجاد اثرات حرارتی

آسیب دیگری که ممکن است در اثر بالا بودن توان لیزر بر نمونه وارد شود، تغییر دمای نمونه است. از آن جایی که بیشتر نانو مواد کربنی سیاه رنگ هستند، مقادیر قابل توجهی از نور را جذب می‌کنند. این انرژی جذب شده به گرما تبدیل می‌شود و دمای نمونه در ناحیه‌ای که پرتو لیزر در آن متمرکز است تغییر می‌کند. در نتیجه با تغییر دمای نمونه طیف رامان هم تغییر می‌کند. طیف رامان بسیاری از نانو مواد کربنی حتی به تغییرات دمایی جزئی هم به شدت حساس است. به عنوان مثال طیف رامان دو نمونه از نانو لوله‌های کربنی چند دیواره و نانو لوله‌های کربنی تک دیواره در شکل ۴ و ۵ نشان می‌دهد که چگونه تغییرات بسیار کوچک در توان لیزر می‌تواند باعث ایجاد تغییر دمایی در نمونه شده و بر طیف رامان تأثیر بگذارد. مشاهده می‌شود که در هر دو این مثال‌ها، تغییر قابل توجهی در باند G وجود دارد و در نمونه نانو لوله کربنی چند دیواره مقداری جابجایی باند D هم دیده می‌شود. در مثال نشان داده شده در شکل ۴، با افزایش توان لیزر از ۱ میلی‌وات به ۲ میلی‌وات، نسبت شدت باند D/G به میزان ۶ درصد کاهش می‌یابد و هنگامی که توان لیزر از ۲ میلی وات به ۳ میلی وات افزایش می‌یابد، نسبت شدت ۳ درصد کاهش می‌یابد.

مطالعه مقاله کاربرد رامان در آنالیز کاتد و الکترولیت باتری‌های لیتیوم یون

**شکل ۴: تاثیر توان‌ لیزر بر طیف رامان نانو لوله‌ های کربنی چند دیواره**

**شکل ۵: تاثیر توان‌ لیزر بر طیف رامان نانو لوله‌ های کربنی تک دیواره**

اما نگران نباشید. راه‌ حل‌های نسبتا ساده‌ای برای کنترل این اثرات وجود دارد که کافی است آن‌ها را رعایت کنید. اگر به دنبال آنالیز مواد جدید یا تغییراتی جدید در نمونه‌ها هستید، بهتر است که با توان‌ کم لیزر شروع کنید. در مواردی که تعدادی نمونه از مواد مشابه دارید، توصیه می‌شود که برای بررسی تحمل لیزر ناحیه کوچکی از یک نمونه را آزمایش کنید. سپس طیف‌ها را در محدوده‌ای از توان‌های لیزر مختلف جمع‌آوری کنید تا تشخیص دهید که قبل از مشاهده آسیب در طیف رامان چه مقدار توان لیزر را می‌توان بر نمونه اعمال کرد. هنگامی که مشخص شد که حداکثر توان لیزری که به نمونه آسیب نمی‌زند چه مقدار است، می‌توانید با اطمینان اندازه‌گیری‌های خود را انجام دهید.
دومین نکته‌ای که باید به آن توجه کنید کنترل تاثیر دما روی نمونه است. بنابراین دقت کنید که در هنگام تحریک نمونه تابش لیزر را تنها در ناحیه‌ای فوکوس کنید که در معرض دید آشکارساز باشد تا سیگنال‌های رامان حاصل بتوانند توسط آشکارساز جمع‌آوری شوند و از تحریک ناحیه‌ای بزرگتر از ناحیه دید آشکارساز جلوگیری کنید. این موضوع باعث می‌شود تا گرمایش نمونه را به حداقل برسانید و یک کنترل عالی روی تاثیر دما داشته باشید. چنان چه هر بخشی از نمونه خارج از دید آشکارساز در معرض لیزر قرار بگیرد این نواحی هیچ سیگنال رامانی نشان نمی‌دهند و تنها حرارت ایجاد می‌کنند. راهکار دیگر در رابطه با کنترل دمای نمونه توانایی تنظیم توان لیزر در گام‌های کوچک است. میکروسکوپ‌های رامان SRM تکرام توانایی بالایی در کنترل توان لیزر در گام‌های کوچک دارند که نیاز شما را جهت دست یابی به نتایجی عالی برآورده می‌سازند.

جمع بندی

طیف‌ سنجی رامان ابزار بسیار قدرتمندی است که برای مشخصه‌ یابی نانو مواد کربنی استفاده می‌شود. اما بسیاری از نمونه‌های نانو مواد کربنی نیازمند کار با توان‌های بسیار پایین لیزر هستند تا از آسیب به نمونه جلوگیری شود. در این نمونه‌ها با افزایش توان لیزر و در نتیجه افزایش گرمای تولید شده، به دلیل ایجاد اثرات دمایی تغییراتی در طیف‌های رامان حاصل مشاهده می‌شود. راهکاری که برای کنترل اثرات دمایی ارائه می‌شود تنظیم توان لیزر در گام‌های کوچک است. میکروسکوپ‌های رامان SRM تکرام توانایی بالایی در کنترل توان لیزر در گام‌های کوچک دارند که نیاز شما را جهت دست یابی به نتایجی عالی برآورده می‌سازند.