炭素材料分析へのﾗﾏﾝの応用/ Raman Spectroscopy in Carbon Materials Application

ﾅﾉｶｰﾎﾞﾝの構造は多くの種類で存在しますが､それでもその構造には基本的な共通点があります｡これらの材料の範囲は､ﾀﾞｲﾔﾓﾝﾄﾞやｸﾞﾗﾌｧｲﾄ等のよく知られている同素体､およびﾌﾗｰﾚﾝｽ､ｸﾞﾗﾌｪﾝ､ｶｰﾎﾞﾝﾅﾉﾁｭｰﾌﾞ等の他の構造は言うまでもありません｡

分子の観点からいうと､これらの材料は完全的にC-C結合で構成されており､特性に応じて､異なった構造結合が存在します｡

これらの分子構造を分析するためには､C-C結合配向の小さな変化を認識できる高感度な技術装置が必要になります｡

特に､ﾗﾏﾝは形態学に対して高い性能を有すると考えられており､炭素から形成される物質の分子形態学的特徴を分析するための第一の選択肢はﾗﾏﾝ光学系である｡

典型的なﾗﾏﾝｼｽﾃﾑには､4つの主要な要素から構成されます｡

• 励起源(ﾚｰｻﾞｰ)
• ｻﾝﾌﾟﾙ照明ｼｽﾃﾑと散乱集光ｼｽﾃﾑ
• 波長ｾﾚｸﾀｰ(ﾌｨﾙﾀｰまたは分光計)
• ﾌﾟﾛｰﾌﾞ(ﾌｫﾄﾀﾞｲｵｰﾄﾞｽﾄﾘﾝｸﾞﾌﾟﾛｰﾌﾞ､CCDまたはPMT)

ﾀﾞｲﾔﾓﾝﾄﾞ､ｼﾘｺﾝとｹﾞﾙﾏﾆｳﾑのｽﾍﾟｸﾄﾙは同じ四面体結晶配置を共有していますが､ﾀﾞｲﾔﾓﾝﾄﾞの構造は､ﾊﾞﾝﾄﾞの周波数(cm-1位置)によって上記の2つの材料のｽﾍﾟｸﾄﾙと簡単に区別できます｡ｼﾘｺﾝ原子とｹﾞﾙﾏﾆｳﾑ原子の重量のために､振動とﾗﾏﾝﾊﾞﾝﾄﾞの周波数をより低い周波数に遅くらせます｡それがC-C結合で上記の材料を区別できる主な理由です｡

ｸﾞﾗﾌｧｲﾄｽﾍﾟｸﾄﾙはｽﾍﾟｸﾄﾙに無限の数のﾊﾞﾝﾄﾞを持ち､主要なﾊﾞﾝﾄﾞは1332 cm-1(ﾀﾞｲﾔﾓﾝﾄﾞ)から1582 cm-1(ｸﾞﾗﾌｧｲﾄ)まで現れます｡

ﾀﾞｲﾔﾓﾝﾄﾞのﾅﾉ結晶ｻｲｽﾞは､構造に一定の変形があり､有限ｻｲｽﾞ効果をもたらします｡これは､僅かに下方にｼﾌﾄした四面体sp3ﾊﾞﾝﾄﾞによってﾗﾏﾝｽﾍﾟｸﾄﾙに示されています｡

1620 cm-1の追加のﾊﾞﾝﾄﾞと1620 cm-1を超えるﾊﾞﾝﾄﾞとsp3四面体も､表面形態の欠陥を表すsp2結合炭素を示しており､より大きな結晶を持つﾀﾞｲﾔﾓﾝﾄﾞでは無視できます｡

薄膜から原子層までの厚さを特定する機能により､ﾗﾏﾝはｸﾞﾗﾌｪﾝ層の厚さを測定できます(現在の対象の厚さで最大4層)

ﾗﾏﾝｽﾍﾟｸﾄﾙﾋﾟｰｸの強度は､ｸﾞﾗﾌｪﾝ膜材料中の酸化物官能基の存在も示しています｡

ｶｰﾎﾞﾝﾅﾉﾁｭｰﾌﾞのﾗﾏﾝｽﾍﾟｸﾄﾙ

• ｶｰﾎﾞﾝﾅﾉﾁｭｰﾌﾞは基本的に､中空のﾁｭｰﾌﾞを形成するために密封されたｸﾞﾗﾌｪﾝのｼｰﾄを巻き上げたものです｡
• 単層ｶｰﾎﾞﾝﾅﾉﾁｭｰﾌﾞ(SWCNT)は､直径が通常僅か1〜2nmの単一の外壁を持つ円筒形のﾁｭｰﾌﾞです｡単層ｶｰﾎﾞﾝﾅﾉﾁｭｰﾌﾞを囲むｸﾞﾗﾌｪﾝの第2層を有する二層ｶｰﾎﾞﾝﾅﾉﾁｭｰﾌﾞ(DWCNT)もある｡

SWCNTは基本的に1ﾛｰﾙｸﾞﾗﾌｪﾝｼｰﾄの形態を持つｸﾞﾗﾌｪﾝの構造を持っているため､SWCNTのﾗﾏﾝｽﾍﾟｸﾄﾙはｸﾞﾗﾌｪﾝと多くの類似点があります｡

RBMﾊﾞﾝﾄﾞと呼ばれるｽﾍﾟｸﾄﾙの低周波端に現れる別の一連のﾊﾞﾝﾄﾞがあります｡RBMﾊﾞﾝﾄﾞはSWCNTの固有なものであり､その名前通り､ﾁｭｰﾌﾞの膨張と収縮に対応しています｡