8.7: Caracterización del Grafeno por Espectroscopia Raman

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El grafeno es un material cuasi-bidimensional, que comprende capas de átomos de carbono dispuestas en anillos de seis miembros (Figura\(\PageIndex{1}\)). Desde que fue descubierto por Andre Geim y cowokers en la Universidad de Manchester, el grafeno se ha convertido en uno de los temas de investigación más emocionantes debido a su estructura de banda distintiva y propiedades físicas, como la observación de un efecto Hall cuántico a temperatura ambiente, una banda prohibida sintonizable y un alta movilidad de los transportistas.

Figura Estructura\(\PageIndex{1}\) idealizada de una sola lámina de grafeno. Derechos de autor: Chris Ewels (www.www.ewels.info).

El grafeno se puede caracterizar por muchas técnicas que incluyen microscopía de fuerza atómica (AFM), microscopía electrónica de transmisión (TEM) y espectroscopia Raman. La AFM se puede utilizar para determinar el número de capas del grafeno, y las imágenes TEM pueden mostrar la estructura y morfología de las láminas de grafeno. En muchos sentidos, sin embargo, la espectroscopia Raman es una herramienta mucho más importante para la caracterización del grafeno. En primer lugar, la espectroscopia Raman es una herramienta sencilla y requiere poca preparación de muestras. Además, la espectroscopia Raman no sólo puede ser utilizada para determinar el número de capas, sino que también puede identificar si la estructura del grafeno es perfecta, y si el nitrógeno, hidrógeno u otra fuctionalización es exitosa.

Espectro Raman de Grafeno

Mientras que la espectroscopia Raman es una técnica útil para caracterizar los átomos de carbono hibridados sp2 y sp3, incluyendo aquellos en grafito, fullerenos, nanotubos de carbono y grafeno. Los grafenos simples, dobles y multicapa también se han diferenciado por sus huellas Raman.

La Figura\(\PageIndex{2}\) muestra un espectro Raman típico de grafeno monocapa dopado con N. El modo D, aparece aproximadamente a 1350 cm-1, y el modo G aparece aproximadamente a 1583 cm-1. Los otros modos Raman están a 1620 cm-1 (modo D'-), 2680 cm-1 (modo 2D) y 2947 cm-1 (modo D+G).

Figura Espectro\(\PageIndex{2}\) Raman con una longitud de onda de láser de excitación de 514.5 nm de grafeno monocapa dopado con N.

La banda G

El modo G está en aproximadamente 1583 cm-1, y se debe al modo E2g en el punto γ-punto. La banda G surge del estiramiento del enlace C-C en materiales grafíticos, y es común a todos los sistemas de carbono sp2. La banda G es altamente sensible a los efectos de deformación en el sistema sp2 y, por lo tanto, se puede usar para sondear la modificación en la superficie plana del grafeno.

Banda D inducida por trastorno y banda D

El modo D es causado por la estructura desordenada del grafeno. La presencia de trastorno en sistemas de carbono hibridados sp2 da como resultado espectros Raman de resonancia, lo que convierte a la espectroscopia Raman en una de las técnicas más sensibles para caracterizar el trastorno en materiales de carbono sp2. Como se muestra mediante una comparación de Figura\(\PageIndex{2}\) y Figura no\(\PageIndex{3}\) hay pico D en los espectros Raman de grafeno con una estructura perfecta.

Figura Espectro\(\PageIndex{3}\) Raman con una longitud de onda láser de excitación de 514.5 nm de grafeno prístino de una sola capa.

Si hay algunas impurezas distribuidas aleatoriamente o cargas superficiales en el grafeno, el pico G puede dividirse en dos picos, el pico G (1583 cm-1) y el pico D'-pico (1620 cm-1). La razón principal es que los modos vibracionales localizados de las impurezas pueden interactuar con los modos fonónicos extendidos del grafeno dando como resultado la división observada.

La banda 2D

Todos los tipos de materiales de carbono sp2 presentan un fuerte pico en el rango de 2500 - 2800 cm-1 en los espectros Raman. Combinado con la banda G, este espectro es una firma Raman de materiales grafíticos sp2 y se llama banda 2D. La banda 2D es un proceso de dos fonones de segundo orden y exhibe una fuerte dependencia de frecuencia de la energía láser de excitación.

Además, la banda 2D se puede utilizar para determinar el número de capas de grafeno. Esto se debe principalmente a que en el grafeno multicapa, la forma de la banda 2D es bastante diferente a la del grafeno de una sola capa. Como se muestra en la Figura\(\PageIndex{4}\), la banda 2D en el grafeno de una sola capa es mucho más intensa y nítida en comparación con la banda 2D en grafeno multicapa.