撰文：張達(dá)奇

拉曼光譜學(xué)方法是一種無損、便捷的測試方式，是目前廣泛被用于基底表面碳管分析的譜學(xué)手段，但是在之前的絕大多數(shù)應(yīng)用中，并未涉及到精確的碳管手性指認(rèn)和含量分析問題。

單一結(jié)構(gòu)手性的碳管在高性能的納電子器件、生物成像等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。因而如何可控地制備并表征碳管手性結(jié)構(gòu)的均勻性已經(jīng)成為研究者目前為關(guān)注的問題之一。

令人振奮的是，北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院李彥教授-楊娟副教授團(tuán)隊(duì)近年來在碳管手性結(jié)構(gòu)可控制備方面取得了突破性進(jìn)展，在實(shí)驗(yàn)上獲得了單一手性碳管高度富集的樣品。針對此類樣品，他們開發(fā)出基于拉曼光譜的碳管手性指認(rèn)和含量測定方法。

這其中horiba拉曼光譜儀又一次大顯身手。

ωrbm-dt關(guān)系式的得出?

為了建立拉曼譜峰與碳管結(jié)構(gòu)的對應(yīng)關(guān)系，作者首先選擇了低密度的硅基底表面碳管樣品（2-6根/100 μm2），以確保聚焦光斑測試范圍內(nèi)只有單根碳管的信號(hào)。使用horiba aramis拉曼光譜儀的自動(dòng)mapping功能測量碳管的g模和rbm模，可以精確定位出單根碳管所在位置，并移動(dòng)到相應(yīng)位置采集得到高信噪比的光譜（如圖1a）。

通過詳細(xì)分析拉曼譜峰特征，作者建立了適用于硅基底上碳管的rbm模振動(dòng)頻率（ωrbm）與碳管直徑（dt）間的數(shù)學(xué)依賴關(guān)系。

圖1 （a）四個(gè)硅基底上單根碳管的拉曼光譜，展示了rbm區(qū)間和g模區(qū)間，激發(fā)波長532 nm。（b）擬合28個(gè)碳管的拉曼光譜數(shù)據(jù)得到的ωrbm-dt關(guān)系式。

手性含量定量方法的建立

由于單一激發(fā)波長只能共振激發(fā)很小比例的碳管，為了獲取更多不同手性碳管的信息，作者使用了六個(gè)不同的激發(fā)波長對樣品進(jìn)行了測試，總計(jì)可以覆蓋~85%的碳管手性。

在這里需要特別指出，通過使用duoscan大光斑+自動(dòng)平臺(tái)掃描模式，可以在相對短的時(shí)間內(nèi)獲得較大面積的碳管統(tǒng)計(jì)結(jié)果。在經(jīng)過校正碳管密度和共振激發(fā)比例后，得到樣品中為富集的手性（12,6）含量為93%，該數(shù)值與吸收光譜等手段測得的含量相吻合。

圖2 （a）1330個(gè)分布于193.5–198.5 cm-1范圍內(nèi)的rbm被指認(rèn)為（12,6）。（b）樣品中主要（n,m）的含量。

該方法的建立為單一手性碳管制備提供了有力的表征工具，提出的ωrbm-dt關(guān)系式也為硅基底上碳管樣品的直徑測量提供了重要參考，可以讓研究者更加精確地獲得樣品的直徑分布和手性含量，從而推進(jìn)手性結(jié)構(gòu)可控制備等研究。?

本工作使用的aramis型拉曼光譜儀，新替代型號(hào)為xplora plus和labram hr evolution等拉曼光譜儀。

此項(xiàng)研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委員會(huì)、科技部、北京高等學(xué)校青年英才計(jì)劃項(xiàng)目和北京市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)的支持。

相關(guān)成果發(fā)表于《nanoscale》上：

daqi zhang, juan yang, feng yang, ruoming li, meihui li, dong ji, yan li, (n,m) assignments and quantification for single-walled carbon nanotubes on sio2/si substrates by resonant raman spectroscopy.?nanoscale, 7, 10719-10727 (2015).

相關(guān)背景還可參見作者撰寫的綜述文章：

daqi zhang, juan yang, yan li. spectroscopic characterization of the chiral structure of individual single-walled carbon nanotubes and the edge structure of isolated graphenenanoribbons.?small?9, 1284-1304 (2013).

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