شناسایی نانو مواد کربنی با طیف سنجی رامان

گرافن یک ماده دو بعدی است که از یک شبکه شش ضلعی از اتم‌های کربن ساخته شده است. گرافیت حاصل انباشته شدن تک لایه‌های گرافن است. نانولوله‌های کربنی لوله‌هایی با دیواره‌های تولید شده از ورقه‌های گرافن هستند که می‌توانند تک دیواره یا چند دیواره باشند. نانوفیبرهای کربنی هم ترکیبی از نانولوله‌های کربنی و کربن سیاه هستند. اما آیا میدانستید که یکی از بهترین روش‌ها برای شناسایی و مشخصه یابی این ترکیبات آنالیز رامان است؟!

اکنون می‌خواهیم ببینیم که روش طیف سنجی رامان چگونه در مشخصه یابی این ترکیبات به ما کمک می‌کند؟

مشخصه یابی نانو مواد کربنی با رامان

میکروسکوپ رامان به دلیل توانایی در شناسایی مواد از طریق ارتعاشات مولکولی، به طور گسترده‌ای در تحقیقات نانومواد کربنی مورد استفاده قرار می‌گیرد. آنالیز رامان یک روش بسیار سریع است که طی چند ثانیه نمونه را آنالیز می‌کند و نیازی به آماده‌سازی نمونه ندارد. اگر تمایل دارید که اطلاعات دقیق‌تری در مورد روش طیف‌سنجی رامان بدانید، پیشنهاد میکنیم قبل از خواندن ادامه مطلب این مقاله‌ را مطالعه کنید.

طیف رامان نانومواد کربنی به طور کلی با سه باند اصلی مشخص می‌شود: باند D، باند G و باند ۲D (که باند ‘G نیز نامیده می‌شود). طیف این نانومواد حاوی اطلاعاتی در مورد ریزساختارها و کیفیت آن‌ها است که توسط شکل پیک، موقعیت پیک و شدت پیک‌ها بیان می‌شود. باند G که در محدوده ۱۵۸۲cm^-۱ ظاهر می‌شود، حالت ارتعاشی درون صفحه‌ای sp^۲ گرافن را نشان می‌دهد و نشانه‌ای از کریستالی بودن ماده است. موقعیت باند G به تعداد لایه‌های گرافن وابسته است اما تحت تأثیر لیزر تحریک نیست. پهن شدگی باند G متناسب با سطح بی نظمی است که در مواد گرافنی نامنظم این پهن شدگی را می‌توان مشاهده کرد. باند D ظاهر شده در محدوده ۱۳۵۰cm^-۱ را می‌توان معیاری از میزان بی نظمی در نمونه گرافن در نظر گرفت. این باند حالت تنفس حلقه‌ای را برای اتم‌های کربن هیبرید شده sp^۲ نشان می‌دهد. برای دیده شدن باند D در طیف گرافن باید در گرافن نقص وجود داشته باشد و یا این که در نزدیکی لبه ساختار میکروکریستالی باشد. نسبت شدت پیک رامان این دو باند یعنی I_D/I_G، برای مشخص کردن سطح بی نظمی مواد استفاده می‌شود. باند ۲D ظاهر شده در محدوده ۲۷۰۰cm^-۱، اورتون (overtone) باند D است. اما بر خلاف باند D، برای فعال شدن نیازی به نزدیک بودن به نقص ندارد. شکل پیک باند ۲D مربوط به تعداد لایه‌های گرافن است که می‌توان از آن برای تعیین ضخامت لایه استفاده کرد. مانند باند D، باند ۲D نیز بستگی به طول موج لیزر دارد. چنانچه علاقه مند هستید که در مورد انتخاب مناسب‌ ترین لیزر در طیف سنجی رامان بیشتر بدانید؛ این مقاله‌ را مطالعه کنید.
طیف‌ سنجی رامان اطلاعات کاملی در مورد ویژگی‌های نانومواد کربنی ارائه می‌دهد. به عنوان مثال طیف رامان تعدادی از نانومواد کربنی در شکل ۲ نشان داده شده است. نمونه گرافن فقط شامل باند G و باند ۲D است و باند D ندارد. علاوه بر این، نسبت شدت باند ۲D به شدت باند G حدود ۲ است. در طیف گرافیت باند G معرف آن و عدم وجود باند D نشان دهنده سطح بالایی از نظم و بلورینگی در این ترکیب است. از آنجایی که گرافیت از چندین لایه گرافن تک لایه تشکیل شده است، باند ۲D که در طیف گرافیت مشاهده می‌شود در مقایسه با باند ۲D گرافن پهن‌تر و نامتقارن است و نسبت I_۲D / I_G آن به طور قابل توجهی از گرافن کمتر است. در طیف نانولوله‌های کربنی به دلیل انحنا مربوط به SWCNT، باند G نامتقارن است و به دو باند -G و +G تفکیک می‌شود. کربن سیاه هم که دارای کمترین نظم ساختاری است، یک باند D قوی و یک باند G پهن را نشان می‌دهد و بنابراین نسبت I_D/I_G بالایی را نشان می‌دهد.

مشخصه یابی گرافن به وسیله طیف سنجی رامان

در این قسمت طیف رامان شش ورقه پوشش داده شده با پودر گرافن نشان داده شده است (شکل ۳). باند D، باند ۲D و باند G را می‌توان در طیف همه نمونه‌ها مشاهده کرد. مقایسه طیف رامان نمونه‌ها نشان می‌دهد که گرافن شماره ۶ دارای ضعیف‌ترین باند ۲D و قویترین باند D است و یک باند ‘D برجسته در محدوده ۱۶۲۰cm^-۱ دارد که همه این ها نشان دهنده یک گرافن نقص دار هستند. یک تغییر کوچک در موقعیت باند G نیز مشاهده می‌شود. این اطلاعات نشان می‌دهد که گرافن شماره ۶ نسبت به سایر نمونه‌ها دارای بیشترین میزان اختلال بوده و در نتیجه دارای مشخصه‌های گرافنی کمتری است.

باند D میزان بی نظمی در یک نمونه گرافن را نشان می‌دهد و باند G میزان نظم ساختاری را نشان می‌دهد. بنابراین نسبت شدت باند D به باند G یعنی I_D/I_G به عنوان یک پارامتر نیمه کمی برای تعیین کیفیت نمونه گرافن استفاده می‌شود. به عنوان مثال نسبت شدت‌ باندهای D و G در نمونه‌های گرافن فوق نشان می‌دهد که نمونه گرافن شماره ۶ با بالاترین نسبت I_D/I_G دارای بیشترین میزان اختلال است (جدول ۱).

در بین نمونه‌های گرافن، بررسی پهن شدگی باند G نشان می‌دهد که پهنای باند G محاسبه‌شده در نصف ارتفاع ماکزیمم (FWHM) در گرافن شماره ۴ و گرافن شماره ۵ تفاوت قابل‌توجهی با یکدیگر دارند (شکل ۴).

همانطور که در شکل ۵ نشان داده شده است، باندهای ۲D تمام نمونه‌ها نامتقارن هستند که مشخصه پودر گرافن است. تفاوت‌های قابل ملاحظه‌ای در شدت و شکل باندهای ۲D قابل مشاهده است. گرافن شماره ۵ تعریف شده‌ترین باند ۲D را دارد. این همچنین نشان می‌دهد که گرافن شماره ۵، مشابه نمونه‌های شماره ۱، ۲ و ۳، دارای سطح بالایی از بلورینگی، لایه‌های گرافن کمتر و بی نظمی کمتری است.

طیف سنجی رامان در شناسایی نانو فیبرهای کربنی و کربن سیاه

در این قسمت طیف رامان چهار نمونه کربن سیاه و دو نمونه نانوفیبر کربنی در شکل ۶ نشان داده شده است. چهار نمونه کربن سیاه مشخصه‌های رامان کربن سیاه معمولی را نشان می‌دهند که حاوی باندهای G و D پهن هستند و باند ۲D ندارند که نشان دهنده بلورینگی بسیار کم نمونه‌ها است. دو نمونه نانوفیبر کربنی باندهای D قوی را نشان می‌دهند که نشان دهنده سطح بالایی از بی نظمی است. باندهای G نیز در طیف‌ نانوفیبر کربنی مقداری عدم تقارن را نشان می‌دهند که به دلیل شکافت جزئی باند G ناشی از انحنای لایه‌های گرافن در هنگام تشکیل نانولوله‌ها می‌باشد. (توجه: پیک‌های تیزی که در محدوده ۱۵۵۰cm^-۱ و ۲۳۰۰cm^-۱ دیده می‌شود به ترتیب به اکسیژن و نیتروژن اتمسفر نسبت داده می‌شوند.)

نسبت‌ شدت I_D/I_G محاسبه‌ شده برای نمونه‌های کربن سیاه همه بالاتر از ۰/۵ هستند که نشان دهنده وجود اختلال در ساختار نمونه است. نسبت‌ شدت I_D/I_G محاسبه‌ شده برای دو نمونه نانوفیبر کربنی فوق نشان می‌دهد که در بین تمام نمونه‌ها نمونه نانوفیبر کربنی شماره ۲ با میانگین I_D/I_G برابر با ۰/۴۷۰۶ بالاترین میزان نظم را دارد، در حالی که نمونه نانوفیبر کربنی شماره ۱ با میانگین I_D/I_G برابر با ۱/۳۶۵۴ دارای بالاترین میزان اختلال ساختاری است.

در قسمت بعد طیف رامان به دست آمده برای دو نمونه کربن سیاه دو پیک در محدوده ۲۱۳cm^-۱ و ۲۸۰cm^-۱ نشان می‌دهد که با هماتیت Fe_۲O_۳ منطبق هستند (شکل ۷). معمولا در نمونه‌های نانوفیبر تا ۱۰ درصد از محتوای آهن باقیمانده از فرآیند تولید می‌تواند وجود داشته باشد که حضور اکسید آهن توسط این دو باند هماتیت تایید می‌شود.

جمع بندی

طیف‌سنجی رامان به عنوان یک تکنیک ارزشمند برای تعیین خصوصیات نانومواد کربنی شناخته می‌شود. در این مقاله شرح دادیم که طیف رامان نانومواد کربنی نسبتا ساده هستند و معمولا با سه پیک اصلی مشخص می‌شوند. موقعیت، شکل و شدت پیک‌ها اطلاعات ارزشمندی را در مورد بلورینگی نمونه ارائه می‌دهند و نسبت شدت باند D به شدت باند G به عنوان یک شاخص ساده از بی نظمی ساختاری یک نمونه عمل می‌کند که محققان و سازندگان می‌توانند از اندازه‌گیری I_D/I_G نمونه‌ها برای توصیف کیفیت نانومواد کربنی خود استفاده کنند.

منابع

۱.https://zaya.io/vz9up

۲. https://zaya.io/jmx83