Nanomateriali di carbonio come grafene, grafite e nanotubi di carbonio (Figura 1) hanno ciascuno proprietà fisiche e termiche uniche che li rendono importanti in settori diversi come la produzione di batterie, l'edilizia e le attrezzature sportive. Poiché questi materiali sono ampiamente utilizzati negli ambienti di produzione, cresce la necessità di metodi di caratterizzazione semplici, sicuri e robusti.
Data la sua selettività, velocità e capacità di misurare i campioni in modo non distruttivo, la spettroscopia Raman rappresenta uno strumento prezioso per la caratterizzazione dei nanomateriali in carbonio. Gli spettri Raman dei materiali in carbonio di solito sono piuttosto semplici, ma possono rivelare una grande quantità di informazioni sulle strutture microcristalline interne, in base a posizioni dei picchi, forma e intensità relativa. I materiali a base di grafene degli spettri Raman sono caratterizzati da tre picchi principali: la banda G, la banda D e la banda 2D.
La banda G è presente a circa 1580 cm-1 e rappresenta il movimento di flessione nel piano del grafene della sp2 atomi di carbonio ibridati. Nel grafene di alta qualità, la banda G è molto nitida, indicando un'elevata cristallinità. Anche la posizione della banda G è sensibile al numero di strati di grafene, ma è indipendente dall'eccitazione del laser.
La banda D può essere considerata come una misura del disordine all'interno di un campione di grafene. La fascia è rappresentativa di una modalità di respirazione ad anello per lo sp2 atomi di carbonio ibridati. Affinché la banda D possa essere osservata in uno spettro di grafene, deve esserci un difetto nel grafene o la modalità è vicina a un bordo. Nel grafene incontaminato, la banda D non è visibile. La banda D mostra un comportamento dispersivo, il che significa che è sensibile all'eccitazione laser utilizzata nell'esperimento.
La banda 2D è una sfumatura della banda D, ma a differenza della banda D non è necessario che sia vicina a un difetto per l'attivazione. La forma del picco della banda 2D può essere utilizzata per determinare lo spessore dello strato. Come la banda D, anche la banda 2D è dispersiva, quindi cambierà leggermente con un'eccitazione laser diversa.
Per tutte le misurazioni di materiali a base di grafene è stato utilizzato un sistema i-Raman® Prime 532H. Il sistema ha un laser a 532 nm, che è la lunghezza d'onda del laser comunemente scelta per le misurazioni Raman del carbonio.
i-Raman Prime è un sistema Raman a basso rumore, ad alta velocità di trasmissione del segnale e completamente integrato con un tablet computer incorporato. Un portasonda è stato utilizzato per tutte le misurazioni per supportare la sonda in fibra ottica. È inoltre disponibile un sistema di custodia, che rende il laser di classe 3b un laser di classe 1 sicuro per un'area di produzione. La potenza laser tipica utilizzata è di circa 34 mW e i tempi di acquisizione variano da 30 a 90 s.
| Modello di sistema | i-Raman® Prime 532H |
| Lunghezza d'onda del laser | 532 nm |
| Accessori | Portasonda BAC150B |
| Videomicroscopio BAC151C-532 (opzionale) | |
| Aggiornamento della sonda di grado E per SWCNT (opzionale) | |
| Software | BWSpec® |
La banda D rappresenta il grado di disordine all'interno di un campione di grafene, mentre la banda G rappresenta il livello di ordine strutturale. Quindi, il rapporto calcolato tra le intensità della banda D e G (ID / IG) può essere utilizzato come parametro semiquantitativo per determinare la qualità di un campione di grafene. L' ID / IG aumenta all'aumentare del disordine strutturale all'interno di un campione. Questo parametro ID / IG rappresenta un parametro di controllo qualità rapido che può essere utilizzato come test Pass/Fail nelle impostazioni di produzione.
La figura 2 mostra gli spettri Raman di alcuni nanomateriali di carbonio. Uno spettro di grafene incontaminato (spettro rosso) contiene solo la banda G e la banda 2D; non è presente la banda D. Inoltre, il rapporto tra l'intensità della banda 2D e l'intensità della banda G (I2D / IG) ≈ 2. Lo spettro della grafite (spettro verde) è caratterizzato da una banda 2D allargata e asimmetrica, e I2D / IG è molto più basso. Spettri di nanotubi di carbonio (spettro nero), che sono tubi di grafene arrotolati, mostrano una banda G leggermente divisa.[1] La curvatura dei nanotubi di carbonio a parete singola (SWCNT) divide la banda G in due modalità degenerate, G+ e G- . Carbone nero (spettro blu), che ha l'ordine strutturale minore, mostra una banda D forte, e quindi un'alta ID / IG. Vale la pena notare che con un laser diverso dal laser a 532 nm utilizzato per queste misurazioni, la posizione della banda D e della banda 2D cambierà leggermente a causa della loro natura dispersiva.
Le linee guida per il calcolo dell'ID/IG con la spettroscopia Raman sono documentate nella Guida standard ASTM E3220-20 per la caratterizzazione dei fiocchi di grafene.[2] Gli spettri devono essere corretti al basale prima di trovare il picco di intensità. Per gli spettri in Figura 3, è stato applicato un algoritmo di rimozione della linea di base ai dati nel software BWSpec. Dopo la rimozione della linea di base, vengono misurate le intensità di picco delle bande D e G degli spettri. Poi è possibile calcolare l'ID / IG. Il software BWSpec può essere configurato per segnalare l'ID, IG e calcolare il derivato ID / IG da uno spettro raccolto. I calcoli possono essere esportati in una tabella per un facile reporting. Tabella 2 mostra la tabella generata nel software.
| Fonte di dati | Banda D | banda G | D/G |
|---|---|---|---|
| Nerofumo_1 | 1276,1205 | 1780,7942 | 0,7166 |
| Nerofumo_2 |
2184,0956 | 3037,7693 | 0,7190 |
| Nerofumo_3 |
851,1320 | 1457,8104 | 0,5838 |
| Nerofumo_4 |
1318,5770 | 2123,2700 | 0,6210 |
| Nanofibra di carbonio_1 | 5179,8889 | 3289,7727 | 1,5745 |
| Nanofibra di carbonio_2 |
2786,3214 | 5583,2101 | 0,4991 |
Nella Figura 3, gli spettri delle nanofibre sono caratterizzati da intense bande D a circa 1350 cm-1 e qualche asimmetria nelle bande G. L'ID / IG dello spettro (a) è particolarmente alto, indicando che c'è un alto grado di disordine strutturale all'interno di quel campione di nanofibre.
Gli spettri dei campioni di nerofumo sono classificati in ampie bande D e bande G, indicando una cristallinità molto bassa all'interno dei campioni. Il misurato ID / IG per i campioni di nerofumo sono tutti superiori a 0,5, indicando un disordine strutturale all'interno della struttura del campione. Questo ID / IG può essere utilizzato come test di controllo qualità rapido di grafene, grafite, nanotubi di carbonio e polvere di nerofumo prodotti, sia come misurazione offline che in linea.
La spettroscopia Raman è diventata una tecnica preziosa per la caratterizzazione dei nanomateriali di carbonio. Gli spettri di carbonio sono abbastanza semplici e spesso caratterizzati solo da tre picchi. Le intensità, le forme e le posizioni dei picchi rivelano informazioni sulla cristallinità interna del campione. Il rapporto tra l'intensità della banda D e l'intensità della banda G funge da semplice indicatore di disordine strutturale o di un campione. Questo ID / IG di un campione può essere utilizzato da ricercatori e produttori per caratterizzare i loro nanomateriali di carbonio.
- UN. C. Ferrari. Comunicazioni a stato solido. 143, 47–57 (2007)
- ASTM E3220-20, Guida standard per la caratterizzazione dei fiocchi di grafene, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2020, www.astm.org
Condividi l'applicazione
Download PDF