常见碳材料及其拉曼光谱

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1、常见碳材料及其拉曼光谱陈翠红2008.12.02常见的碳材料有:三维的石墨，金刚石二维的石墨烯，碳纳米带一维的碳纳米管，碳纳米线零维的富勒烯（C60）建筑学家理查德·巴克明斯特·富勒（RichardBuckminsterFuller）设计的美国万国博览馆球形圆顶薄壳建筑。石墨的拉曼光谱自然界中并不存在宏观尺寸的石墨单晶，而是含有许许多多任意取向的微小晶粒（100um）。高定向热解石墨（HOPG）是人工生长的一种石墨，其碳平面几乎完美地沿其垂直方向堆叠，然而沿着石墨平面内，晶粒仍然存在任意取向但非常小。（1）结构不同，拉曼光谱不同（2）G-band(~

2、1580cm-1)是由碳环或长链中的所有sp2原子对的拉伸运动产生的。（3）缺陷和无序诱导D-band（~1360cm-1）的产生。（4）一般我们用D峰与G峰的强度比来衡量碳材料的无序度。1355cm-1峰的出现归结于微晶尺寸效应使得没有拉曼活性的某些声子在选择定则改变后变得有了拉曼活性。发现D模对于拉曼活性G模的相对强度与样品中石墨微晶尺寸的大小相关。商用石墨D--band的发现及其研究1970年最先报道了无序诱导的D模。1981年，一些人利用不同的激发光能量研究了石墨的拉曼光谱，得出D模频率随激发光能量的线性移动。斜率在40~50cm-1/ev之

3、间。1990年，一些人通过实验总结了D模强度和样品中各种无序或缺陷的相互关系，证明无论石墨存在任何形式的无序，D模都会出现。无序诱导的D-band的产生---双共振拉曼散射D,2D-Band-DoubleResonanceeexcitatione-phononscatteringdefectscatteringE-holerecombinationD-BandKG-Band伴随着层数的增加强度提高2D-Bandeexcitatione-phononscatteringPhononwithoppositemomentumE-holerecombinat

4、ion层数依赖性激发光能量依赖性石墨的拉曼光谱不同点不同偏振方向的拉曼光谱（a）完美石墨晶体（b）有缺陷的石墨（a）D模的相对强度与石墨微晶尺寸La的相互关系。（b）石墨一阶和二阶拉曼模的激发光能量依赖性。激发光能量增加，D模频率向高能方向移动。激发光波长在近红外到近紫外是线性的，斜率40~50cm-1/ev2D的大概是D的两倍小结对完美石墨，~1580cm-1的E2g光学膜的拉曼峰强不依赖于拉曼实验中激发光偏振方向。对无序石墨，E2g谱线在垂直和平行偏振配置下的强度不同，说明石墨微晶的尺寸较小并任意取向。G*的频率比G的两倍大，可能是纵向光学声子支

5、的过度弯曲导致。一般来说，非拉曼活性振动倍频模的二阶拉曼散射在石墨中是允许的。声子频率的激发光能量依赖性及其他效应都起源于与石墨和其他sp2键碳材料特殊的电子能带结构相关的双共振拉曼散射效应。Graphene的结构及其拉曼光谱半金属性石墨烯的手性石墨烯是一种其禁带宽度几乎为零的半金属/半导体材料在2006–2008年间,石墨烯已被制成弹道输运晶体管(ballistictransistor)，平面场效应管(Field-EffectTransistors)，并且吸引了大批科学家的兴趣石墨烯的拉曼光谱(a)ComparisonofRamanspectraa

6、t514nmforbulkgraphiteandgraphene.Theyarescaledtohavesimilarheightofthe2Dpeakat2700cm-1.(b)Evolutionofthespectraat514nmwiththenumberoflayers.(c)EvolutionoftheRamanspectraat633nmwiththenumberoflayers.Graphene中心无缺陷存在(d)ComparisonoftheDbandat514nmattheedgeofbulkgraphiteandsinglelay

7、ergraphene.ThefitoftheD1andD2componentsoftheDbandofbulkgraphiteisshown.(e)Thefourcomponentsofthe2Dbandin2layergrapheneat514and633nm.（d）D峰的产生及峰位的不同（e）2layer2D峰由四个组成单层及双层graphene2D峰的双共振过程声子支的分裂<1.5cm-1所以归因为电子能级的分裂Bilayergraphene电子能带的分裂，使bilayer分裂为四个带FIG.1.ColoronlineaOpticalimage

8、ofatypicalMCGsheetandtheanglesbetweenedges.bThestatist