Ứng dụng của Raman để phân tích vật liệu Carbon

Từ góc độ phân tử, những vật liệu này hoàn toàn được cấu tạo nhờ vào liên kết C-C, tùy vào tính chất khác nhau sẽ có những cấu trúc liên kết khác nhau. 

Để có thể phân tích những cấu trúc phân tử này cần phải có thiết bị kỹ thuật có độ nhạy cao để nhận biết những thay đổi nhỏ trong định hướng liên kết C-C.

Đặc biệt, Raman được nhận định là có độ cao với hình thái học, từ đó quang học Raman là sự lựa chọn số một để phân tích những đặc điểm hình thái phân tử của những vật liệu hình thành từ carbon.

Một hệ thống Raman điển hình sẽ có bốn thành phần chính: 

• Nguồn kích thích (Laser)
• Hệ thống chiếu sáng mẫu và hệ thống thu gom ánh sáng tán xạ. 
• Bộ chọn bước sóng (bộ lọc hoặc máy quang phổ)
• Đầu dò (đầu dò chuỗi photodiode, CCD hoặc PMT)

Quang phổ của kim cương và silic, gecmani dù có chung cấu hình tinh thể tứ diện, nhưng cấu trúc của kim cương vẫn có thể dễ dàng phân việt với quang phổ của 2 vật liệu trên bởi tần số (vị trí cm-1) của dải. Bởi vì sức nặng của các nguyên tử silic và gecmani, nó làm chậm tần số rung động và dải raman sang một tần số thấp hơn. Đó là lý do chính khiến liên kết C-C có thể phân biệt các nguyên liệu trên. 

Phổ than chì có vô số dải trong quang phổ và dải chính xuất hiện từ 1332 cm-1 ( kim cương) đến1582 cm-1 trong ( than chì).
Kích thước tinh thể nano của kim cương dẫn đến hiệu ứng kích thước hữu hạn trong đó cấu trúc bị biến dạng phần nào. Điều này được thể hiện trong phổ Raman bởi một dải sp3 tứ diện hơi dịch chuyển xuống dưới.
Dải bổ sung ở 1620 cm-1 và dải trên 1620 cm-1 và tứ diện sp3 cũng biểu thị carbon liên kết sp2 đại diện cho các dạng khuyết tật bề mặt, sẽ không đáng kể với kim cương có tinh thể lớn hơn. 

Với khả năng xác định độ dày lớp mỏng tới lớp nguyên tử thì Raman có thể đo độ dày của lớp graphene ( tối đa bốn lớp - ở độ dày được quan tâm hiện tại)
Cường độ của các đỉnh phổ Raman cũng cho thấy sự tồn tại của các nhóm chức oxit trong vật liệu màng Graphene.
 

Quang phổ Raman của ống nano Carbon

• Các ống nano cacbon về cơ bản là các tấm graphene cuộn lại đã được bịt kín để tạo thành các ống rỗng.
• Ống nano carbon đơn vách (SWCNT) là các ống hình trụ có một vách ngoài duy nhất với đường kính thường chỉ 1 – 2 nm. Ngoài ra còn có các ống nano carbon hai lớp (DWCNT) có một lớp graphene thứ hai bao quanh một ống nano carbon một lớp bên trong.

Phổ Raman của SWCNT có nhiều điểm tương đồng với graphene vì về cơ bản SWCNT có cấu trúc của graphene với hình thái 1 tấm graphene cuộn lại. 

Có một loạt dải khác xuất hiện ở đầu tần số thấp của phổ được gọi là dải RBM. Các dải RBM là duy nhất đối với SWCNT và như tên gọi của chúng, tương ứng với sự mở rộng và co lại của các ống.