Quang phổ Raman là kỹ thuật quang phổ đuợc sử dụng rộng rãi trong vật lý và hóa học để nghiên cứu sự dao động, sự quay và một số mode dao động tần số thấp. Quang phổ Raman là phổ tán xạ không đàn hồi hay còn gọi là tán xạ Raman xảy ra khi chiếu một chùm ánh sáng đơn sắc tới mẫu.
Nguồn ánh sáng thuờng đuợc sử dụng trong quang phổ Raman là một chùm tia laser có buớc sóng trong vùng khả kiến, vùng gần hồng ngoại hoặc vùng gần tử ngoại.
Cơ chế tán xạ Raman:
Chùm laser, chùm các photon có thể tuơng tác với mẫu bằng kích thích hoặt hấp thụ quang học của các photon, kết quả là các mức năng luợng photon bị dịch chuyển lên hoặc xuống.
Một photon thứ cấp bức xạ từ mẫu khi có sự dịch chuyển về mức ban đầu. Bằng cách phân tích chùmtia tán xạ dựa trên năng luợng của photon, có thể
thu thập thông tin về cấu trúc mẫu và các biến đổi của nó. Phổ Raman có thể dùng để nghiên cứu các dao động phân tử và các mode dao động của mạng tinh thể.
51
Tùy dạng tuơng tác với mẫu mà tán xạ Raman đuợc chia làm hai quá trình tán xạ Stokes (ứng với năng luợng hấp thu) và tán xạ đối Stokes (ứng với năng luợng kích thích)
Hình 4.5: Mô hình dịch chuyển các mức năng luợng trong tán xạ Raman
Quang phổ Raman trong phân tích than ống nano:
Hơn 20 năm qua, tán xạ Ramanđã chứng minh đây là một công cụ rất hữu ích trong công việc nghiên cứu, khảo sát các vật liệu các bon. Trong đó, quang phổ Raman được sử dụng rộng rãi trong việc nghiên cứu các liên kết và các tính chất của các trạng thái tự nhiên, kim lọai và bán dẫn của than chì, các hợp chất graphite và fullerence. Hiện nay quang phổ Raman là một trong những công cụ phân tích không thể thiếu được đối với than ống nano [14,15].
Về cơ bản, tán xạ Raman trong than ống nano cũng là kết quả từ sự va chạm không đàn hồi giữa một chùm tia tới với than ống nano. Kết quả là sự phát xạ hay hấp thụ của phonon bên trong cấu trúc của than ống nano.
Một số tính chất của than ống nano có thể đuợc phân tích trong quang phổ Raman như sau:
Đuờng kính d của than ống nano và góc chiral Độ lệch, sự sai hỏng trong cấu trúc than ống nano. Tính định huớng than ống nano
52
Sự tương tác giữa các than ống nano
Ảnh hưởng của môi truờng và nhiệt độ lên vùng cấm của than ống nano Trong phổ Raman của than ống thuờng đựợc chia thành hai vùng là vùng năng luợng thấp (low energy) với bước sóng 0-300 cm-1 và vùng năng luợng cao( high energy) với buớc sóng 1000-3000 cm-1:
Radical Breathing Mode – RBM
Mode dao động mạnh nhất trong vùng năng luợng thấp là mode đối xứng hòan toàn RBM. Mode này tuơng ứng với độ co giãn đường kính ống khi tất cả các nguyên tử các bon dao động trong trạng thái kích thích. Do đó tấn số doa động RBM phụ thuộc vào đuờng kính ống. Đây la phương pháp dùng để xác định sự phân bố đuờng kính của than ống đơn vách.
D – Mode
D-mode còn gọi là D-band cho phép nhận biết sự sai hỏng hay lệch mạng trong cấu trúc than chì có tần số từ 1 300 – 1360 cm-1 và vị trí của nó phụ thuộc vào sai hỏng trong cấu trúc mạng tinh thể graphite. Vì thế nó hiển thị độ lệch giữa các vách trong ống đa vách còn torng ống đơn vách thì nó được xác định chính là sự sai hỏng bên trong mỗi ống bao gồm các khuyết tật ở đầu ống, chỗ cong của ống hoặc có sự xuất hiện các hạt nano và các bon vô định hình [15].
G – Mode
Mode năng luợng cao là đỉnh phổ đuợc chú ý nhấtvà nổi bật nhất torng phổ Raman của than ống. Nó tuơng ứng với mode dao động của graphite xuất hiện tại 1 580 cm-1 nên còn gọi là G-Mode ( Graphite like mode).
G-mode thể hiệncho cấu trúc graphite của than ống nano, phụ thuộc vào độ dao động của nguyên tử các bon trên vòng sáu cạnh và độ uốn cong của tấm graphene.
Cường độ G-mode càng cao, bề rộng peak càng hẹp ứng với dao động graphite càng mạnh, thể hiện cấu trúc than ống nano càng rõ nét.
53
Thiết bị quang phổ Micro – Raman
Model: LabRam Horiba JOBIN YVON
Bước sóng Laser: 633 nm Công suất Laser: 20 mW Ồng kính: x10, x50, x100
Hình 4.6: Thiết bị quang phổ Micro – Raman LabRam Horiba JOBIN YVON