Los nanomateriales de carbono como el grafeno, el grafito y los nanotubos de carbono tienen propiedades físicas y térmicas únicas que los hacen importantes en industrias tan variadas como la fabricación de baterías, la construcción y los equipos deportivos. La necesidad de una caracterización simple, segura y sólida de estos materiales crece a medida que se utilizan más ampliamente en entornos de fabricación.
La espectroscopía Raman es una herramienta valiosa para la caracterización de nanomateriales de carbono debido a su selectividad, velocidad y capacidad para medir muestras de forma no destructiva. Los materiales de carbono suelen exhibir espectros Raman simples, pero contienen una gran cantidad de información sobre las estructuras microcristalinas internas en la posición de los picos, la forma y la intensidad relativa.
Espectros Raman de materiales a base de grafeno, como los de Figura 1, se caracterizan por tres picos principales: la banda G, la banda D y la banda 2D.
La banda G aparece cerca de 1580 cm.-1 y representa el movimiento de flexión en el plano de los átomos de carbono con doble enlace. En el grafeno de alta calidad, la banda G es muy nítida, lo que indica un alto grado de cristalinidad. La posición de la banda G es sensible al número de capas de grafeno pero es independiente de la excitación del láser.
La banda D indica desorden dentro de una muestra de grafeno. Esta banda surge de un modo de respiración anular para átomos de carbono con doble enlace. En el grafeno prístino, la banda D no es visible. La banda D se observa cuando hay un defecto en el grafeno o el modo está cerca de un borde. La banda D exhibe un comportamiento dispersivo, lo que significa que es sensible a la longitud de onda de excitación del láser utilizada en el experimento.
La banda 2D es un armónico de la banda D y la forma del pico de la banda 2D se puede utilizar para determinar el espesor de la capa. Al igual que la banda D, la banda 2D es dispersiva y cambiará ligeramente con la excitación del láser.
Si la banda D representa el grado de desorden y la banda G representa el nivel de orden estructural, entonces la relación calculada entre las intensidades de las bandas D y G (ID/IG) se puede utilizar como parámetro semicuantitativo para determinar la calidad de una muestra de grafeno. A medida que aumenta el desorden estructural dentro de una muestra ID/IG aumenta. Este parámetro representa una verificación rápida de control de calidad que se puede utilizar como prueba de Pasa/Falla en entornos de fabricación.
Figura 2 muestra espectros Raman de diferentes nanomateriales de carbono. El grafeno prístino (rojo) contiene sólo bandas G y 2D; no hay banda D. La relación entre la intensidad de la banda 2D y la intensidad de la banda G (I2D/IG) ≈ 2. El grafito (espectro verde) se caracteriza por una banda 2D ensanchada y asimétrica, y la I2D/IG la proporción es mucho menor. Los nanotubos de carbono (espectro negro), que son tubos enrollados de grafeno, exhiben una banda G ligeramente dividida.1].
La curvatura de los nanotubos de carbono de pared simple divide la banda G en dos modos degenerados: G+ y G-. El negro de carbón (espectro azul), que tiene el menor orden estructural, exhibe una fuerte banda D y, por lo tanto, tiene un alto I.D/IGRAMO. Tenga en cuenta que la excitación del láser a una longitud de onda distinta de 532 nm provocará ligeros cambios en la posición de la banda D y la banda 2D, debido a su naturaleza dispersiva.
Se utilizó un sistema i-Raman® Prime 532H para todas las mediciones de materiales a base de grafeno. El sistema tiene un láser de 532 nm, que es la longitud de onda láser comúnmente elegida para la medición Raman de carbono. El i-Raman Prime es un sistema Raman totalmente integrado, de alto rendimiento y bajo nivel de ruido con una tableta integrada.
Se utilizó un soporte de sonda (BAC150B) para todas las mediciones para soportar la sonda de fibra óptica. Hay disponible un sistema de gabinete (BAC152C) para lograr seguridad láser de clase 1 en un piso de fabricación. La potencia láser típica utilizada es de ~34 mW y los tiempos de adquisición oscilan entre 30 y 90 s.
Tabla 1. Parámetros experimentales.
| Intrumental | Configuración | |
|---|---|---|
| i-Raman Prime 532H | Potencia del láser | 100% |
| Probe holder (BAC150) | Int. time | 30-90 |
| Software BWSpec | Promedio | 1 |
Determinación de ID/IG
Pautas para calcular ID/IG están documentados en la Guía estándar ASTM E3220 para la caracterización de escamas de grafeno [2]. Los espectros se someten a una corrección inicial antes de la determinación de la intensidad máxima. Para los espectros en figura 3, se aplicó un algoritmo de eliminación de referencia a los datos en el software BWSpec. Los picos agudos a ~1550 cm-1 y ~2300cm-1 se atribuyen al oxígeno y al nitrógeno atmosféricos, respectivamente.
Después de la eliminación de la línea base, se miden las intensidades máximas de las bandas espectrales D y G y ID/IG se puede calcular. El software se puede configurar para informar automáticamente ID, IG, y derivando ID/IG de un espectro recopilado. Los resultados se pueden exportar fácilmente a un informe. Tabla 2 muestra la tabla que se genera en el software.
Tabla 2. Medido ID, IG, y calculado ID/IG del software BWSpec. Las fuentes de datos se alinean con las de Figura 2.
| Fuente | Banda D | Banda G | D/G |
|---|---|---|---|
| a | 2786,3214 | 1780,7942 | 0,7166 |
| b | 2184,0956 | 3037,7693 | 0,7190 |
| C | 851,1320 | 1457,8104 | 0,5838 |
| d | 1318,5770 | 2123,2700 | 0,6210 |
| e | 5179,8889 | 3289,7727 | 1,5745 |
| f | 2786,3214 | 5583,2101 | 0,4991 |
En figura 3, los espectros de nanofibras se caracterizan por la asimetría en las bandas G. el ID/IG del espectro (a) es particularmente alto, lo que indica que hay un alto grado de desorden estructural dentro de esa muestra de nanofibras.
Los espectros de las muestras de negro de carbón (c – f) se clasifican por bandas D y bandas G anchas, lo que indica una cristalinidad muy baja dentro de las muestras. Medido ID/IG para las muestras de negro de humo están todas por encima de 0,5, lo que indica un desorden estructural dentro de la muestra. ID/IG se puede utilizar como una prueba rápida de control de calidad fuera de línea o en línea de grafeno, grafito, nanotubos de carbono y polvo de negro de humo fabricados.
La espectroscopía Raman es una técnica valiosa para la caracterización de nanomateriales de carbono. Los espectros de carbono son bastante simples y, a menudo, sólo se caracterizan por tres picos.
Las intensidades, formas y posiciones de los picos revelan información sobre la cristalinidad interna de la muestra. La relación entre la intensidad de la banda D y la intensidad de la banda G actúa como un simple indicador de desorden estructural o de una muestra. este ID/IG .Los investigadores y fabricantes pueden utilizar una muestra para caracterizar sus nanomateriales de carbono.
- Ferrari, A. C. Espectroscopia Raman de grafeno y grafito: trastorno, acoplamiento electrón-fonón, dopaje y efectos no adiabáticos. Comunicaciones de estado sólido 2007, 143 (1), 47–57. https://doi.org/10.1016/j.ssc.2007.03.052.
- ASTM Internacional. Guía estándar para la caracterización de escamas de grafeno; ASTM E3220-20; ASTM Internacional, 2020.
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