常見碳材料及其拉曼光譜ppt課件

1、 常見碳資料及其拉曼光譜 陳翠紅 2021.12.02 常見的碳資料有常見的碳資料有: 三維的石墨，金剛石三維的石墨，金剛石 二維的石墨烯，碳納米帶二維的石墨烯，碳納米帶 一維的碳納米管，碳納米線一維的碳納米管，碳納米線 零維的富勒烯零維的富勒烯C60建筑學(xué)家理查德建筑學(xué)家理查德巴克明斯特巴克明斯特富勒富勒Richard Buckminster Fuller設(shè)計(jì)的美國萬國博覽館球形圓頂薄殼建筑。設(shè)計(jì)的美國萬國博覽館球形圓頂薄殼建筑。 石墨的拉曼光譜石墨的拉曼光譜v自然界中并不存在宏觀尺寸的石墨單晶，而是含有許許多自然界中并不存在宏觀尺寸的石墨單晶，而是含有許許多多恣意取向的微小晶粒多恣意取向的

2、微小晶粒100um。v高定向熱解石墨高定向熱解石墨HOPG是人工生長的一種石墨，其碳是人工生長的一種石墨，其碳平面幾乎完美地沿其垂直方向堆疊，然而沿著石墨平面內(nèi)，平面幾乎完美地沿其垂直方向堆疊，然而沿著石墨平面內(nèi)，晶粒依然存在恣意取向但非常小。晶粒依然存在恣意取向但非常小。1構(gòu)造不同，拉曼光譜不同構(gòu)造不同，拉曼光譜不同2G-band(1580cm-1)是由碳環(huán)或長鏈中是由碳環(huán)或長鏈中 的一切的一切sp2原子對(duì)的拉伸運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的。原子對(duì)的拉伸運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的。3缺陷和無序誘導(dǎo)缺陷和無序誘導(dǎo)D-band0cm-1的產(chǎn)生。的產(chǎn)生。4普通我們用普通我們用D峰與峰與G峰的強(qiáng)度比來衡量碳資料峰的強(qiáng)度比來衡量碳資料

3、 的無序度。的無序度。5cm-15cm-1峰的出現(xiàn)歸結(jié)于微晶尺寸效應(yīng)使得沒有拉峰的出現(xiàn)歸結(jié)于微晶尺寸效應(yīng)使得沒有拉曼活性的某些聲子在選擇定那么改動(dòng)后變得有曼活性的某些聲子在選擇定那么改動(dòng)后變得有了拉曼活性。了拉曼活性。發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)D D模對(duì)于拉曼活性模對(duì)于拉曼活性G G模的相對(duì)強(qiáng)度與樣品中模的相對(duì)強(qiáng)度與樣品中石墨微晶尺寸的大小相關(guān)。石墨微晶尺寸的大小相關(guān)。商用石墨商用石墨D-band的發(fā)現(xiàn)及其研討的發(fā)現(xiàn)及其研討 1970年最先報(bào)道了無序誘導(dǎo)的年最先報(bào)道了無序誘導(dǎo)的D模。模。 1981年，一些人利用不同的激發(fā)光能量研討了石墨的拉曼光譜，得出年，一些人利用不同的激發(fā)光能量研討了石墨的拉曼光譜，得出D模

4、頻率隨激發(fā)光能量的線性挪動(dòng)。斜率在模頻率隨激發(fā)光能量的線性挪動(dòng)。斜率在4050cm-1/ev之間。之間。 1990年，一些人經(jīng)過實(shí)驗(yàn)總結(jié)了年，一些人經(jīng)過實(shí)驗(yàn)總結(jié)了D模強(qiáng)度和樣品中各種無序或缺陷的相模強(qiáng)度和樣品中各種無序或缺陷的相互關(guān)系，證明無論石墨存在任何方式的無序，互關(guān)系，證明無論石墨存在任何方式的無序，D模都會(huì)出現(xiàn)。模都會(huì)出現(xiàn)。 無序誘導(dǎo)的無序誘導(dǎo)的D-band的產(chǎn)生的產(chǎn)生-雙共振拉曼散射雙共振拉曼散射D,2D-Band-Double Resonancee excitatione-phonon scatteringdefect scatteringE-hole recombinationD

5、-BandKG-Band11580cm伴隨著層數(shù)的添加強(qiáng)度提高伴隨著層數(shù)的添加強(qiáng)度提高2D-Bande excitatione-phonon scatteringPhonon with opposite momentumE-hole recombination層數(shù)依賴性層數(shù)依賴性激發(fā)光能量依賴性激發(fā)光能量依賴性石墨的拉曼光譜石墨的拉曼光譜不同點(diǎn)不同偏振方向的拉曼光譜不同點(diǎn)不同偏振方向的拉曼光譜a a完美石墨晶體完美石墨晶體b b有缺陷的石墨有缺陷的石墨a aD D模的相對(duì)強(qiáng)度與石墨微晶尺寸模的相對(duì)強(qiáng)度與石墨微晶尺寸LaLa的的相互關(guān)系。相互關(guān)系。b b石墨一階和二階拉曼模的激發(fā)光能石墨一階和二

6、階拉曼模的激發(fā)光能量依賴性。量依賴性。激發(fā)光能量添加，激發(fā)光能量添加，D D模頻率模頻率向高能方向挪動(dòng)。向高能方向挪動(dòng)。激發(fā)光波長在近紅外到近紫外是激發(fā)光波長在近紅外到近紫外是線性的，斜率線性的，斜率4050cm-1/ev4050cm-1/ev2D2D的大約是的大約是D D的兩倍的兩倍小結(jié)小結(jié)v對(duì)完美石墨，對(duì)完美石墨，1580cm-11580cm-1的的E2gE2g光學(xué)膜的拉曼峰強(qiáng)不依賴于拉曼實(shí)驗(yàn)中激發(fā)光偏光學(xué)膜的拉曼峰強(qiáng)不依賴于拉曼實(shí)驗(yàn)中激發(fā)光偏振方向。振方向。v對(duì)無序石墨，對(duì)無序石墨， E2gE2g譜線在垂直和平行偏振配置下的強(qiáng)度不同，闡明石墨微晶的譜線在垂直和平行偏振配置下的強(qiáng)度不同，闡

7、明石墨微晶的尺寸較小并恣意取向。尺寸較小并恣意取向。vG G* *的頻率比的頻率比G G的兩倍大，能夠是縱向光學(xué)聲子支的過度彎曲導(dǎo)致。的兩倍大，能夠是縱向光學(xué)聲子支的過度彎曲導(dǎo)致。v普通來說，非拉曼活性振動(dòng)倍頻模的二階拉曼散射在石墨中是允許的。普通來說，非拉曼活性振動(dòng)倍頻模的二階拉曼散射在石墨中是允許的。v聲子頻率的激發(fā)光能量依賴性及其他效應(yīng)都來源于與石墨和其他聲子頻率的激發(fā)光能量依賴性及其他效應(yīng)都來源于與石墨和其他sp2sp2鍵碳資料特鍵碳資料特殊的電子能帶構(gòu)造相關(guān)的雙共振拉曼散射效應(yīng)。殊的電子能帶構(gòu)造相關(guān)的雙共振拉曼散射效應(yīng)。Graphene的構(gòu)造及其拉曼光譜的構(gòu)造及其拉曼光譜半金屬性半金

8、屬性石墨烯的手性石墨烯的手性石墨烯是一種其禁帶寬度幾乎為零的半金屬石墨烯是一種其禁帶寬度幾乎為零的半金屬/ /半導(dǎo)體資料半導(dǎo)體資料 在在2006 2021年間年間, 石墨烯已被制成彈道輸運(yùn)晶體管石墨烯已被制成彈道輸運(yùn)晶體管(ballistic transistor)，平面場效應(yīng)管平面場效應(yīng)管(Field-Effect Transistors)，并且吸引了大批科學(xué)家的興趣，并且吸引了大批科學(xué)家的興趣 石墨烯的拉曼光譜石墨烯的拉曼光譜(a) Comparison of Raman spectra at 514 nm for bulk graphite and graphene. They are

9、scaled to have similar height of the 2D peak at 2700 cm-1.(b) Evolution of the spectra at 514 nm with the number of layers. (c) Evolution of the Raman spectra at 633 nm with the number of layers.Graphene中中心無缺陷存在心無缺陷存在(d) Comparison of the D band at 514 nm at the edge of bulk graphite and single laye

10、r graphene. The fit of the D1 and D2 components of the D band of bulk graphite is shown. (e) The four components of the 2D band in 2 layer graphene at 514 and 633 nm.dD峰的產(chǎn)生及峰位的不同峰的產(chǎn)生及峰位的不同e2layer 2D峰由四個(gè)組成峰由四個(gè)組成單層及雙層單層及雙層graphene2D峰的雙共振過程峰的雙共振過程聲子支的分裂聲子支的分裂1.5nmW160cm-1的峰只需的峰只需來源于內(nèi)管直徑來源于內(nèi)管直徑D峰半高寬峰半高寬

11、20cm-1CNTs的的D-band的頻率隨激發(fā)光的頻率隨激發(fā)光能量的降低而減小能量的降低而減小一樣激發(fā)光能量下，一樣激發(fā)光能量下，DWNTs的的D峰頻率最低。內(nèi)外層作用力的影響。峰頻率最低。內(nèi)外層作用力的影響。線性關(guān)系線性關(guān)系斜率斜率26.5cm-1/evCNTs:WD=W0+26.5ElaserMWNTs W0=1285DWNTs 1260SWNTs 1270結(jié)論v由于內(nèi)外層相互作用，由于內(nèi)外層相互作用，SWNTs與與DWNTs的拉曼光譜不同。的拉曼光譜不同。v直徑越小，彎曲度越大，直徑越小，彎曲度越大，電子云外形變化越大，相反，直電子云外形變化越大，相反，直徑越大，彎曲度越小，徑越大，彎曲度越小，電子云接近石墨的情形，性質(zhì)接近電子云接近石墨的情形，性質(zhì)接近石墨