通过拉曼光谱石墨烯描述和标准化半岛综合体育官方APP下载德甲

安德鲁·j·波拉德,Debdulal罗伊

国家物理实验室,汉普顿路,特丁顿,英国米德尔塞克斯TW11 0 lw。
电子邮件:(电子邮件保护)

介绍

石墨烯,碳原子组成的二维材料在一个蜂巢晶格,从学术好奇心过渡到商业产品,自十年前第一次隔离。这种快速发展的原因是激动人心的特性的纳米材料。石墨烯已被证明有神奇的电子流动,热导率,是有史以来最强的材料测试。¹在科学界,其他二维(2 d)材料现在也被调查,如氮化硼、二硫化钼、钨联硒化物和组合这些材料的堆放异质结构配置。²许多不同类型的二维材料目前的研究提供了一种原子水平工具箱,所需的材料类型,例如半金属、半导体、绝缘体或超导体,可以选择。然而,这些材料的科学认识水平先进不如这些其他二维材料石墨烯,因此还没有开始进入商业领域。

现在全球数百家公司声称商业生产的石墨烯,石墨烯市场在1750万年估计为€2014。³也有很多行业领域,预计将由石墨烯中断,如灵活的电子产品、添加剂制造、光电传感器、复合材料、障碍和能源存储。⁴一些企业甚至已宣布的石墨烯产品,如体育用品,电池和手机。然而,在大规模生产石墨烯的描述,包括在真实的产品将为这一新兴技术的发展极其重要和灌输工业的信心。准确、可靠和标准化的描述可以提供graphene-product声称是真实的信心和石墨烯是礼物,以及确定材料包括石墨烯而不是石墨,石墨烯的三维(3 d)对应。除了这些问题之外,实际的测量石墨烯材料的性质,如结构维度、层次的障碍和氧含量水平,促进和发展需要的石墨烯和石墨烯产品。

拉曼光谱已被半岛综合体育官方APP下载德甲证明是一个特别有效的工具探索碳材料几十年来,但最近对碳纳米材料如碳纳米管、一维(1 d)碳的同素异形体。因此不足为奇的大量的科学研究已经完成使用拉曼光谱测量的许多属性的二维碳的同素异形体,石墨烯。半岛综合体育官方APP下载德甲作为一种快速、无损光学描述技术、拉曼光谱的可能性被用作任何质量控制系统的一部分的大规模工业生产石墨烯是显而易见的。半岛综合体育官方APP下载德甲这是强制执行的意识到,这种技术可以用来理解层数,应变,兴奋剂,重要的是障碍存在于石墨烯的水平。⁵

石墨烯的缺陷

石墨烯是一种纳米材料,测量其属性是特别具有挑战性的,是石墨烯缺陷的描述,如“空位缺陷”,没有一个碳原子(或几个原子)六角石墨烯晶格。与此同时,石墨烯缺陷对石墨烯的性质的影响都进行了广泛的调查,但效果并不总是负面的。而不需要典型电子设备由于导电性降低,脱盐水,需要空位缺陷。类似地,“sp³在石墨烯结合吸附原子缺陷”,其他非碳原子或物种绑定到石墨烯基底平面,将使传感器选择性传感所必需的应用程序。拉曼光谱的描半岛综合体育官方APP下载德甲述是非常可取的石墨烯在商业应用程序,因为它可以提供一个洞察的障碍水平迅速石墨烯(如果执行正确,没有增加缺陷)的数量。

确定障碍在碳材料的水平在1970年首次显示时显示,拉曼D -和G-peaks可以用来确定微晶尺寸。⁶更多最近的研究也表明缺陷密度,n在石墨烯可以使用强度之比近似定量D - G-peaks,我_D/我_G。⁷然而,尽管缺陷大小(r_年代)已经在理论上与inter-defect距离的定量测定,l_D,⁸这种关系没有以前使用拉曼光谱研究。半岛综合体育官方APP下载德甲

石墨烯缺陷大小的描述

机械地去死皮石墨烯的技术,也被称为“透明胶带的生产方法,生产单层石墨烯片与横向尺寸的几微米,然而,这种方法并不可行的商业生产。这个过程简单,使用一个胶带去除石墨层和沉积到衬底。这种技术可以用来获得石墨烯片与300 nm厚硅衬底SiO₂层,这使得石墨烯薄片鉴定使用光学显微镜,即使是只有一层的厚度。⁹这种技术被用于首次分离出石墨烯,并已被证明产生原始的碎片,可视为没有缺陷。

因此,控制水平的缺陷密度可以通过后续引入单层石墨烯离子轰击。这是实现超高真空的飞行时间二次离子质谱(ToF-SIMS)仪器(ToF-SIMS IV、ION-TOF GmbH德国明斯特),使表面与锰离子轰击⁺,Bi⁺或者双性恋₃⁺离子。选择25 keV的动能和当前测量同时曝光时间控制,允许一个精确的缺陷密度获得样品表面。¹⁰

首先,高度有序的热解石墨(石墨)被不同的离子轰击和由此产生的缺陷进行了扫描隧道显微镜(STM)来衡量空位缺陷的大小分布。STM成像(数码年代,庇护研究、圣芭芭拉分校、美国)在环境条件下进行使用机械切割Pt-Ir STM小费。图1显示了典型的STM图像缺陷的石墨表面创建通过三种不同离子的轰击,和缺陷的范围大小为每个类型的离子。

横向半径的平均值的空位缺陷,r_年代,显示是0.6±0.1 nm, 1.3±0.1和1.9±0.1 nm锰⁺,Bi⁺和Bi₃⁺分别离子。这些结果同意SRIM(停止的离子物质软件)溅射率的计算。¹⁰

石墨烯单层片是位于ion-bombarded区域与一个已知的缺陷密度和大小,使用光学显微镜和拉曼光谱。半岛综合体育官方APP下载德甲拉曼光谱(L半岛综合体育官方APP下载德甲abRAM人力资源进化,Horiba科学、英国)上执行这些片使用532海里(2.33 eV)激光源总激光点功率小于1 mW的测量技术用于确定石墨烯晶格中的障碍本身并没有创造更多的缺陷。拉曼光谱得到好几片的每个值l_D三种类型的离子轰击。

图2 (a)展示了单层石墨烯的拉曼光谱的发展减少平均inter-defect距离,LD,(也就是说,缺陷密度增加,n) 25 keV Mn +离子轰击,从1 / LD的价值估计。原始的单层石墨烯显示了洛伦兹G -特征(~ 1585 cm - 1)和2 d-peaks (~ 2700 cm - 1),但随着障碍引入石墨烯晶格空位缺陷的形式,D-peak, ~ 1350 cm - 1,是激活的存在缺陷和G-peak增加强度的关系。D¢峰值(~ 1620 cm - 1)对无序也观察到石墨烯。根据单层石墨烯的障碍,这种材料可以被描述为第一阶段LD的较大值,和LD的第二阶段为较小的值,如图2所示(b)。第一阶段,ID LD / IG比率增加而下降,随着sp2-hybridised石墨烯晶格空位缺陷密度的增加。第二阶段达到当inter-defect平均距离达到缺陷合并,目前和six-atom碳环的数量大幅减少,扩大的G - D-peaks观察,如图2所示(一个)LD = 0.9海里。因此,D-peak的扩大可以用来确定水平的障碍已经达到第二阶段,宽屏的一半最大的D-peak大于图2 ~ 30厘米- 1.10 (b)显示了拉曼峰强度比、ID /搞笑,随LD的缺陷由三种不同的离子的轰击,Mn +, Bi +和Bi3 +。

方程1⁸显示了缺陷大小(r_年代)是复杂与inter-defect距离的定量测定,l_D,在那里C_一个是一个激光激发因变量,r_一个长度范围,决定了地区D-peak喇曼散射发生。

方程1可以用来适应数据在图2 (b)的值r_年代利用扫描隧道显微镜测定。C_一个和l_σ(石墨烯的阶段断裂长度和等于(r_一个- - - - - -r_年代)在方程1)保持不变,观察与实验数据吻合很好。

结果的拟合方程1的三组数据在图2 (b),参数C_一个和l_σ计算为5.0±0.9 (2.33 eV激光激发)和2.4±0.6 nm,分别以95%的置信度。¹⁰这种程度的准确性和精度只能通过不同的调查l_D几个不同的缺陷大小,但可以更准确的定量测定石墨烯缺陷密度和规模工业企业使用拉曼光谱。半岛综合体育官方APP下载德甲然而,实验也表明,方程1只允许缺陷密度的定量计算,如果已知缺陷的大小,反之亦然。

标准化的石墨烯

真正的进步从实验室到工厂,是一个紧迫的需要在这一领域国际标准。最紧急的是术语和计量标准的必要性。通过定义应该使用的术语和术语,行业可以自信地交谈并蓬勃发展。问题,比如什么时候结束“few-layer石墨烯”和“石墨”开始是一个典型的例子,可能导致采购材料供应商和终端用户之间的问题。这些术语问题正在得到解决”术语和术语“联合工作组(JWG)在“纳米技术”国际标准化组织技术委员会(ISO / TC229)和TC113国际电工委员会(IEC),通过一个标准的,ISO / AWI TS 80004 - 13所示“石墨烯和二维相关材料”。这个文件将定义与石墨烯相关的条款和其他相关的二维材料。标准化过程中这是一个至关重要的第一步,使其他标准是发达国家在同一地区。

使石墨烯的可靠和准确的测量在工业环境中质量控制流程、测量标准开发的国际社区,通过计量调查和多个实验室的研究和验证,还是需要的。正在开发的几种测量标准JWG2测量和描述的ISO / TC229和IEC / TC113以及WG8石墨烯相关材料/碳纳米管材料在IEC / TC113。通过国际标准化的测量石墨烯,可以technician-level员工的公司位于世界各地的描述商业全球材料,可以比较。然而,国际标准化的过程是一个严格的,因此需要时间,提名来自成员国的专家贡献和提高标准通常是两个或两个以上的时期多年。这些标准要尽可能准确,计量调查将是至关重要的。如一个详细的调查,确定缺陷的大小和缺陷密度之间的关系,让真正的定量测定这些参数使用一个潜在的质量控制技术、拉曼光谱。半岛综合体育官方APP下载德甲

结论

拉曼光谱是一半岛综合体育官方APP下载德甲种强大的工具测量石墨烯的许多特性,包括缺陷密度或缺陷大小,尽管其中一个参数必须已知准确确定。的速度测量和非破坏性的光学技术将位置的测量方法选择质量控制流程。然而,的好处能够观察到许多不同类型的属性变更的技术,也会导致这个问题,任何观察到的拉曼光谱的变化可能是由于几个因素之一。测量科学调查这些类型的问题将被要求推进这一领域,实现商业应用。任何拉曼光谱仪器的校准通常是理所当然或专注于光谱位置记录的半岛综合体育官方APP下载德甲准确性。如下所示,需要确定两个峰的强度比和一个峰的峰宽为石墨烯获得障碍的程度,强度检测器的响应函数和光谱分辨率也应该被考虑。

技术,如tip-enhanced拉曼光谱(参数),它提供了纳米级拉曼表面的映半岛综合体育官方APP下载德甲射,也将进一步的科学理解石墨烯的共焦拉曼光谱性质。例如,通过探测单个纳米缺陷或特性,而不是许多缺陷的贡献由于微米尺寸共焦显微镜的针头大小。

也为这种技术应用于所需的长度尺度和时间尺度,将工业规模生产,拉曼光谱针头大小的问题(微米尺寸)和典型地区,需要测量石墨烯的化学气相沉积(CVD)增长(metre-scale),将需要被克服。半岛综合体育官方APP下载德甲可能的解决方案可能是与其他快速的结合拉曼光谱光学描述技术,如光学显微镜或椭圆光度法。半岛综合体育官方APP下载德甲

确认

作者要感谢国家测量体系的创新研发项目的英国部门的业务,创新和技能(项目编号118616)。

引用

1. K.S.诺沃肖洛夫:歧视'ko, l·科伦坡公关据传,M.G.施瓦布和k金,“石墨烯路线图”,自然490、192 (2012)。doi:http://dx.doi.org/10.1038/nature11458
2. rA.K.海姆和输液杰,“范德瓦耳斯异质结构”,自然499、419 (2013)。doi:http://dx.doi.org/10.1038/nature12385
3. 石墨烯的市场、技术和机会2014 - 2024。IDTechEx (2014)。
4. 交流法拉利等石墨烯,“科学和技术路线图,相关的二维晶体,和混合动力系统”,纳米级4598 (2015)。doi:http://dx.doi.org/10.1039/C4NR01600A
5. r交流法拉利和Basko,”拉曼光谱作为一种万能工具研究石墨烯的属性”,半岛综合体育官方APP下载德甲Nat。Nanotechnol。235 (2013)。doi:http://dx.doi.org/10.1038/nnano.2013.46
6. f . Tuinstra J.L. Koenig,“拉曼光谱石墨”,j .化学。理论物理。1126 (1970)。doi:http://dx.doi.org/10.1063/1.1674108
7. f . Stavale M.M. Lucchese,再见马丁斯费雷拉,c . Vilani M.V.O.穆迪尼奥,R.B.事,c.a Achete和a . Jorio”量化离子感应石墨烯缺陷和喇曼松弛长度”,碳1592 (2010)。doi:http://dx.doi.org/10.1016/j.carbon.2009.12.057
8. 低速齿轮Cancado, a . Jorio E.H.M.费雷拉,f . Stavale c.a Achete, R.B.事,M.V.O.穆迪尼奥,a Lombardo T.S. Kulmala交流法拉利,”量化缺陷石墨烯通过拉曼光谱在不同激发能量”,半岛综合体育官方APP下载德甲纳米列托人。3190 (2011)。doi:http://dx.doi.org/10.1021/nl201432g
9. p .布莱克希尔已经A.H.卡斯特罗否决权,K.S.诺沃肖洛夫,d .江r·杨T.J. Booth和A.K.海姆,“使石墨烯可见”,应用。。列托语。91、063124 (2007)。doi:http://dx.doi.org/10.1063/1.2768624
10. A.J.波拉德,b·布伦南,h . Stec B.J.泰勒,议员Seah,安全火花型吉尔摩·d·罗伊,“定量表征石墨烯的缺陷大小使用拉曼光谱”,半岛综合体育官方APP下载德甲达成。理论物理。列托语。106、253107 (2014)。doi:http://dx.doi.org/10.1063/1.4905128