Ngoài hai phƣơng pháp sử dụng thiết bị kính hiển vi SEM, TEM ở trên để thu đƣợc hình ảnh của ống nano cacbon, phƣơng pháp phổ tán xạ Raman lại cho phép chúng ta phân tích về cấu trúc pha, cấu trúc tinh thể, cho ta biết thành phần của vật liệu. Đây là phƣơng pháp mang tên nhà Vật lý ngƣời Ấn Độ C.V Raman. Phổ tán xạ raman dựa trên nguyên lý tán xạ không đàn hồi của ánh sáng đơn sắc chiếu tới, thông thƣờng là từ một nguồn sáng laser. Tán xạ không đàn hồi là khi tần số của các photon từ nguồn sáng đơn sắc chiếu tới sẽ thay đổi khi nó tƣơng tác với mẫu vật. Các photon của ánh sáng laser bị hấp thụ bởi mẫu và sau đó bị tán xạ. Tần số của các photon tán xạ có thể thay đổi tăng hoặc giảm so với tần số của nguồn sáng đơn sắc khi chiếu tới, đây đƣợc gọi là hiệu ứng Raman. Sự thay đổi này sẽ cung cấp thông tin về độ dao động, độ quay và các tần số truyền khác của các phân tử. Phƣơng pháp raman có thể đƣợc dùng để phân tích các mẫu dạng rắn, lỏng và khí.
Hình 2.11. Phổ tán xạ Raman đặc trưng của SWCNTs
Khi phân tích phổ tán xạ Raman của ống nano cacbon đơn tƣờng, ngƣời ta thƣờng thấy có các đỉnh xuất hiện ở ba vùng tần số khác nhau là: thấp (<400cm-1), trung bình (1200-1400 cm-1), và cao (>1500cm-1).
34
- Vùng tần số thấp: các đỉnh phổ thƣờng xuất hiện trong khoảng 100-300 cm-1, đây là đặc trƣng khác biệt chỉ xuất hiện với ống nano cacbon đơn tƣờng, đó là sự dao động của các nguyên tử cácbon C, giống nhƣ các ống đang “thở - breathing”, trên phổ raman nó đƣợc gọi là các mode RBM (radial breathing mode). Một đặc trƣng quan trọng đối với các mode này đó là năng lƣợng của các mode dao động phụ thuộc vào đƣờng kính của SWCNTs (d). Từ các đỉnh RBM có thể tính đƣợc đƣờng kính của ống SWCNTs thông qua công thức: RBM A B d (2.1)
với A và B là các hằng số, giá trị của chúng phụ thuộc vào SWCNTs ở dạng bó hay từng ống riêng biệt tách rời. Với các bó SWCNTs thì: A=234 cm-1
và B=10 cm-1. Còn đối với SWCNTs đơn lẻ thì: A=248 cm-1
và B=0. Từ công thức (2.1) ở trên nếu biết đƣợc giá trị của các đỉnh RBM chúng ta có thể tính đƣợc đƣờng kính của ống nano cacbon đơn tƣờng. Trƣờng hợp đƣờng kính của SWCNTs có giá trị d>2nm thì cƣờng độ của các đỉnh RBM là yếu và khó quan sát.
- Vùng tần số trùng bình: đối với vùng này các đỉnh trên phổ tán xạ Raman còn đƣợc gọi là dải D, nó không chỉ đặc trƣng cho ống nano cacbon đơn tƣờng, mà còn xuất hiện các với ống đa tƣờng. Trong quá trình chế tạo ống nano cacbon có thể xuất hiện các sai hỏng mạng (defects) nhƣ ống bị xoắn, tạp chất trong mạng, hoặc do sự tồn tại của cacbon vô định hình amouphous, dẫn tới sự xuất hiện của các đỉnh ở dải D khi phân tích kết quả Raman. Do vậy, vùng này còn đƣợc xem là đặc trƣng cho tính chất hỗn độn và mất trật tự trong cấu trúc mạng.
- Vùng tần số cao: thông thƣờng các đỉnh ở vùng này xuất hiện với cƣờng độ lớn nhất, còn đƣợc gọi là dải G (hỉnh), đỉnh của SWCNTs quan sát đƣợc ở quanh giá trị 1600cm-1. Vùng này mô tả các dao động theo phƣơng tiếp tuyến với cấu trúc graphite và đặc trƣng cho cấu trúc sắp xếp trật tự trong mạng. Các đặc trƣng đa đỉnh vùng này cũng đƣợc dùng để biểu thị đặc trƣng đƣờng kính, tuy nhiên nó ít chính xác hơn so với đặc trƣng RBM. Ngoài ra, dựa vào các đỉnh ở dải G chúng ta còn biết đƣợc đặc tính của SWCNTs là kim loại hay bán dẫn.
Nhờ vào việc phân tích kết quả Raman chúng ta có thể đánh giá đƣợc cấu trúc của vật liệu SWCNTs, dựa vào giá trị các đỉnh RBM để xác định đƣợc đƣờng kính ống, biết đƣợc tính chất SWCNTs … Các kết quả đo Raman trong luận án này đƣợc chúng tôi thực hiện trên hệ đo Micro – Raman LABRAM – 1B của hãng Jobin – Yvon (Pháp) đặt tại viện Khoa học Vật liệu.
35
CHƢƠNG 3
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Nhƣ đã trình bày ở trên, việc nghiên cứu chế tạo ống nano cacbon đơn tƣờng siêu dài, định hƣớng, đạt mật độ, độ đồng đều, chất lƣợng cao là vấn đề nghiên cứu mới, chƣa có công trình, công bố chuyên sâu nào ở Việt Nam về vấn đề này. Do vậy, luận án sẽ đi sâu khảo sát, tiến hành thực nghiệm các thí nghiệm, phân tích kết quả để nghiên cứu những yếu tố quan trọng có ảnh hƣớng tới chất lƣợng ống nano cacbon đơn tƣờng chế tạo đƣợc.