包括石墨烯、石墨和碳納米管等在內(nèi)的碳納米材料（圖1）具有獨特的物理和熱性能，使其成為電池制造、建筑和運動設備等行業(yè)的關(guān)鍵組成部分。

圖 1.碳同素異形體的結(jié)構(gòu)

隨著這些材料越來越多地用于制造業(yè)，對簡單、安全和全面的表征方法的需求也不斷增長。拉曼光譜是表征碳納米材料的有效手段之一，因為它在測試時具有快速、選擇性和非破壞性等特性。

通常而言，碳材料的拉曼光譜相對簡單，但它們也可以根據(jù)峰位置、形狀和相對強度揭示大量有關(guān)內(nèi)部微晶結(jié)構(gòu)的信息。

基于石墨烯材料的拉曼光譜可以通過三個主要峰來表征：G 帶、D 帶和 2D 帶（帶：band，又叫做波段）。G 帶出現(xiàn)在大約 1580 cm-1 處，構(gòu)成了 sp2雜化碳原子的石墨烯面內(nèi)彎曲運動。石墨烯中的 G 帶非常尖銳，顯示出高質(zhì)量的屬性，表明高結(jié)晶度。

G 帶的位置也與石墨烯層數(shù)有關(guān)，但不會受到激光激發(fā)的影響。D帶可以被認為是石墨烯樣品內(nèi)無序結(jié)構(gòu)的量度。2D 帶與 D 帶相反，它不需要靠近缺陷即可激活。2D 帶的峰形可用于識別層厚度。與 D 帶一樣，2D 帶也是色散的，因此它會隨著不同的激光激發(fā)而略有變化。

試驗與測試

D帶構(gòu)成了整個石墨烯樣品的無序程度，而G帶表示結(jié)構(gòu)有序的水平。因此，計算出的 D 和 G 帶強度的比值 ( ID/IG ) 可用作確定石墨烯樣品質(zhì)量的半定量參數(shù)。

部分碳納米材料的拉曼光譜如圖 2 所示。原始石墨烯的光譜（紅色光譜）僅包含 G 帶和 2D 帶，不存在D 帶。此外，2D 帶的強度與 G 帶的強度之比 ( I 2D / I G ) ≈2。

圖 2.石墨烯（紅色）、碳納米管（黑色）、石墨（綠色）和炭黑（藍色）的拉曼光譜

石墨的光譜（綠色光譜）以放大且不對稱的2D帶為特征，ID/IG顯著降低。碳納米管的光譜（黑色光譜）是卷起的石墨烯管，顯示出適度分裂的 G 帶。

G 帶被單壁碳納米管 (SWCNT) 的曲率分成兩種簡并模式（G +和 G -）。碳黑（藍色光譜）具有最輕微的結(jié)構(gòu)有序，顯示出很強的D帶，因此具有高ID/IG。

應該注意的是，如果使用不同于 532 nm 激光的激光進行這些測量，D 帶和 2D 帶的位置將由于其色散性質(zhì)而略有變化。

ID/IG的測定

在ASTM E3220-20 石墨烯薄片表征標準指南中詳細介紹了使用拉曼光譜計算ID/ IG的說明。在確定峰強度之前，應對光譜進行基線校正。

對于圖 3 中的光譜，采用BWSpec 軟件進行基線去除，去除基線后再計算光譜的 D 帶和 G 帶的峰強度。

圖 3.碳納米纖維 (a,b) 和炭黑粉末 (cf) 的拉曼光譜。插圖顯示了應用于所有數(shù)據(jù)的基線校正示例。所有光譜都手動偏移以進行校正。注意： ~ 1550 cm -1和~ 2300 cm -1處的尖峰分別歸因于空氣中的氧氣和氮氣。

可以計算得到ID/IG，為了便于報告，可以將計算導出到表格中。表 2 顯示了軟件生成的表類型。

表 2. 從 BWSpec 軟件測量的I D、I G和計算的I D / I G

在圖 3 中，納米纖維光譜以 1350 cm-1附近的強 D 帶和 G 帶不對稱為標志。光譜(a)的ID/IG特別高，表明該納米纖維樣品中存在相當程度的無序結(jié)構(gòu)。

炭黑樣品的光譜由寬 D 帶和 G 帶確定，表明樣品中的結(jié)晶度極低。炭黑樣品測得的ID/IG均在 0.5 以上，表明樣品結(jié)構(gòu)無序。

該ID/IG可用作石墨烯、石墨、炭黑粉和碳納米管等快速質(zhì)量控制測試，可以作為離線或在線測量。