Characterization of carbon materials with Raman spectroscopy

Význam tématu

Ramanova spektroskopie je klíčovou metodou pro neinvazivní a rychlou charakterizaci uhlíkových nanomateriálů, jako jsou grafen, grafit a uhlíkové nanotrubice. Díky své selektivitě a schopnosti odhalit mikrokrystalickou strukturu v pásmu G, D a 2D umožňuje řídící a kontrolní procesy v průmyslové výrobě baterií, kompozitů či konstrukčních materiálů.

Cíle a přehled studie

Studie demonstruje aplikaci Ramanovy spektroskopie podle normy ASTM E3220 pro semikvantitativní hodnocení struktury uhlíkových nanomateriálů. Cílem je ukázat, jak poměr intenzit D- a G-pásu (ID/IG) slouží jako rychlý kvalitativní indikátor poruchovosti a krystalinity vzorků grafenu, grafitu, uhlíkových nanotrubic a uhlíkového černidla.

Použitá metodika a instrumentace

Pro měření byla využita přenosná Ramanova spektrometrie i-Raman® Prime 532H s 532nm laserem a vláknovou sondou, přičemž laserový výkon činil přibližně 34 mW. Spektra byla získána při integračních časech 30–90 s pomocí softwaru BWSpec, který zajistil odstranění pozadí, vyhlazení a výpočet intenzit pásů D a G.

Hlavní výsledky a diskuse

Spektra ukázala u grafenu ostře vyhraněné G- a 2D-pásy bez D-pásu, což dokládá vysokou krystalinitu. U grafitu a uhlíkových nanotrubic došlo ke změně tvaru 2D-pásu a mírnému rozštěpení G-pásu. U uhlíkového černidla dominuje široké D-pásmo, indikující značný stupeň neuspořádanosti. Hodnoty ID/IG se pohybovaly od přibližně 0,5 u vysoce krystalických vzorků až po více než 1,5 u materiálů s nízkou krystalinitou.

Přínosy a praktické využití metody

Poměr ID/IG poskytuje rychlý Pass/Fail test kvality nanomateriálů přímo na výrobní lince nebo v laboratorní kontrole. Metoda je neinvazivní, nevyžaduje složité vzorkování, umožňuje sledování poruch struktury i stanovení počtu vrstev grafenu a může být integrována do QA/QC procesů výroby.

Budoucí trendy a možnosti využití

Očekává se širší nasazení inline kontrolních systémů pro automatizované sledování kvality v reálném čase, rozvoj aplikace více vlnových délek pro zvýšení citlivosti a kombinace Ramanovy spektroskopie s dalšími povrchovými či elektrochemickými technikami pro komplexní charakterizaci nanostruktur.

Závěr

Ramanova spektroskopie podle ASTM E3220 poskytuje spolehlivý, rychlý a neinvazivní nástroj pro semikvantitativní hodnocení struktury uhlíkových nanomateriálů. Poměr intenzit D- a G-pásu umožňuje jednoduché posouzení krystalinity a poruchovosti a je vhodný pro implementaci v průmyslovém i výzkumném prostředí.

Reference

1. Ferrari A. C. Raman Spectroscopy of Graphene and Graphite: Disorder, Electron–Phonon Coupling, Doping and Nonadiabatic Effects. Solid State Communications 2007, 143(1): 47–57.
2. ASTM International. Standard Guide for Characterization of Graphene Flakes; ASTM E3220-20; ASTM International, 2020.