碳材料的拉曼光谱及其应用.pdf

碳材料的拉曼光谱及其应用 Outline • 拉曼光谱的基础知识和常见的问题 • 碳材料的种类及其拉曼光谱  石墨以及石墨插层化合物  碳纳米管  石墨烯（GO, rGO ）  碳链  其他碳材料：金刚石，富勒烯，无定形碳 • 掺杂碳材料的拉曼光谱 • Summary 拉曼光谱定义和特点 • 瑞利/拉曼散射：弹性/非弹性散射(~10-7—10-11) • 拉曼光谱：Adolf Smekal理论预测，Raman实验 • 去除瑞利散射：Edge滤光片，全息陷波(notch)滤光 片，可调滤光光谱仪(三级单色仪) 。 拉曼光谱的特点 7 7 • Raman shift = 10 / λ laser – 10 / λ outgoing • 同一样品，同一拉曼谱线的位移与入射光的波长 无关,只和样品的振动转动能级有关（特例：D峰 和G’峰）； • 斯托克斯线比反斯托克斯线的强度大 （根据 Boltzmann分布，处于振动基态上的粒子数远大 于处于振动激发态上的粒子数） 测温：斯托克斯光与反斯托克斯光的强度比 拉曼光谱的作用 • 鉴别不同分子结构、相以及材料的应力； • 确定分子内不同的振动模式； • 分析材料的结晶度，浓度分布，应力分布… • 光声耦合，电声耦合，相互作用，电荷传递… Yu et al. Nature Mater. 10, 443 (2011) 拉曼光谱的类型 • 共焦显微拉曼光谱 • 透射拉曼光谱 • 偏振拉曼光谱 • 共振拉曼光谱 • 傅里叶变化拉曼光谱 • 表面增强拉曼光谱（SERS ） • 针尖增强拉曼光谱（TERS ） • 受激拉曼增益光谱 • 拉曼联用系统… • 变温，变压，磁场… Lapin et al. Faraday Discussions, 2015 拉曼光谱和红外的区别与联系 • 红外是分子的振转吸收 （透射）; • 拉曼是光子与分子发生非弹性碰撞 （散射）; 红外和拉曼互补，很多情况下红外活性和拉曼 活性并不同时存在。 拉曼光谱的强度，峰形和分辨率 • 拉曼光谱的强度：面积积分（IG/ID比） • 峰形：Gaussian, Lorentzian, and Voigt • 分辨率：并不是数据点之间的间隔！ （瑞利散射） Gaussian, Lorentzian Voigt 荧光问题的解决 • 最有效：调整激光波长（增加波长） • 最复杂：调整仪器（三单色仪） • 最简单：降低激光强度，降低样品浓度 （作用有限） • 更多：荧光淬灭，反斯托克斯 • 如：功能化GO 的测试 Allotropes of Carbon Hirsch A. Nature Mater. 9, 871 (2010) 石墨插层化合物 • 电荷转移只发生在靠近插层的石墨烯附近 Chacon-Torres et al. ACS Nano 7, 9249 (2013) How to describe carbon nanotube? (10,5) – chiral, semiconducting (10,10) – armchair, metallic From Maruyama