Phương pháp phổ tán xạ Raman cho phép chúng ta phân tích về cấu trúc pha, cấu trúc tinh thể, cho ta biết thành phần của vật liệu. Đây là phương pháp mang tên nhà Vật lý người 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 thường 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 tương 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 được 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. Phương pháp raman có thể được dùng để phân tích các mẫu dạng rắn, lỏng và khí.
Khi phân tích phổ tán xạ Raman của ống nano cacbon đơn tường, người ta thường 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). (Hình 2.11).
Hình 2.11. Phổ tán xạ Raman đặc trưng của CNTs
Hình 2.12. Dải G của MWCNT, SWCNT bán dẫn và SWCNT kim loại [6]
+) Vùng ở tần số thấp có đỉnh phổ trong khoảng từ 100-300cm-1 đối với CNTs có đường kính 1nm < d < 2nm, tương ứng với dao động của các nguyên tử cacbon theo phương bán kính giống như ống cacbon đang thở, dó đó được gọi là các mode dao động RBM (radial breathing mode). RBM là mode đặc trưng duy nhất chỉ quan sát được đối với SWCNTs. Sở dĩ không quan sát thấy RBM ở MWCNTs là do cấu
trúc xếp lớp của chúng, MWCNTs gồm nhiều hình trụ đồng tâm có các mode dao động ở các tần số khác nhau, các dao động này có thể giao thoa với nhau dẫn đến sự dập tắt của RBM. Từ mode dao động này ta có tính được đường kính thông qua biểu thức: B d A RBM (2.1)
Ở đây A, B là các tham số được xác định từ thực nghiệm. Với bó SWCNT có đường kính đồng đều khoảng từ 1.5±0.2, A=234 cm-1 và B=10cm-1, còn đối với SWCNT đơn lẻ thì A=248 và B=0 [6]. Tuy nhiên, khi d < 1nm thì công thức 2.1 không còn đúng nữa do cấu trúc của ống bị biến dạng và khi d > 2nm thì cường độ của đỉnh RBM là yếu và khó quan sát.
+) Vùng tần số trung bình: đối với vùng này các đỉnh trên phổ tán xạ Raman còn được gọi là dải D, nó không chỉ đặc trưng cho ống nano cacbon đơn tường, mà còn xuất hiện các với ống đa tường. Trong quá trình chế tạo ống nano cacbon có thể xuất hiện các sai hỏng mạng (defects) như 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 được xem là đặc trưng cho tính chất hỗn độn và mất trật tự trong cấu trúc mạng.
+) Vùng tần số cao: vùng này mô tả các dao động theo phương tiếp tuyến với cấu trúc graphite và do đó đặc trưng cho cấu trúc sắp xếp trật tự trong mạng graphirte. Không giống với graphite, trong phổ Raman của CNTs bao gồm nhiều đỉnh tạo thành một dải, gọi là dải G (G-band). Tuy nhiên các phép đo thường chỉ cho quan sát thấy hai đỉnh có cường độ mạnh nhất là đỉnh G+ (G+) tương ứng với dao động dọc theo trục ống và đỉnh G- (G-), tương ứng với các dao động theo phương cong của ống. Một đặc điểm quan trọng được rút ra nữa là từ hình dạng của dải G ta cũng có thể phân loại được CNTs kim loại và bán dẫn xuất phát từ hình dạng của dải G-. Với CNT kim loại thì cường độ của đỉnh G-mạnh hơn so với trường hợp của CNT
bán dẫn do đó dải G của CNT kim loại mở rộng và CNT bán dẫn thì sắc nét hơn (hình 2.12) [6].