奈米碳管的方向性是重要結構資訊，這些資訊可以幫助解釋其特性和潛在應用。 用於研究這個特性的技術是可變角度解析偏振拉曼顯微鏡。
介紹
奈米碳管（CNT）是單層或多層石墨烯的圓柱形結構，具有獨特而有趣的熱、機械、電子和光學特性。目前，大多數含有CNT的產品由散裝粉末組成，其中CNT是亂數排列的。 此類產品的一些例子包括電池電極、汽車零件、腳踏車車架和水的過濾器。 同樣越來越感興趣的是方向性的CNT架構，如垂直對齊或水平對齊的CNT材料，這類製造模式可以放大單一奈米碳管的理想屬性。 出於這個原因，對齊的CNT架構可以證明在多種環境中非常有用，包括微電子和光伏效應。
在製造CNT架構的過程中，光致發光和拉曼分析是有利的，因為它們可以從分析結果取得豐富的資訊，包括手性、結構缺陷以及對齊程度和方向。 本應用說明如何使用愛丁堡儀器(Edinburgh Instrument)RM5的可變角度解析偏振拉曼顯微鏡來探究CNT架構的對齊。
材料和方法
在4英寸的矽（Si）晶圓上製造了水平CNT片。 拉曼測量是在配備垂直偏振波長532奈米雷射、1800柵數/毫米光柵以及散射路徑中可變垂直和水平分析的RM5上進行的，晶圓被放置在旋轉樣品載臺上，固定在X、Y、Z三維樣品載上，允許樣品晶圓360°旋轉，用於可變角度解析偏振拉曼顯微。
奈米碳管的拉曼光譜
CNT的特徵拉曼光譜可以用於和其他碳結構，例如石墨烯等碳同素異形體的區分。
拉曼光譜中最突出的特徵是G帶，其中心位置約為1580cm-1，是碳碳單鍵平面內拉伸的特徵。 獨特的是，CNT中的G帶被分為兩個獨立的帶，在圖2中，它們位於1572 cm-1和1592 cm-1，並表示為G+和G-。 這種現象的發生是因為材料的曲率引起的應變，這導致與管狀軸正交的振動模式能量產生分裂。這與原始石墨烯的G波段不同，後者由單個峰值組成。
奈米碳管拉曼光譜的另一個獨特特徵是徑向呼吸模式（RBM），分配給平面外拉伸振動，其中圓柱形結構中的所有碳原子在徑向方向上相干振盪(oscillate coherently)。這種模式的頻率與CNT的直徑成反比，它可以在100 cm-1到500 cm-1之間變化。 在圖2中分析的樣本中，RBM可以在173 cm-1處找到。 CNT突出顯示的另外兩個波段是1344 cm-1和2670 cm-1的D和G’（通常表示為2D）波段，它們提供了有關CNT的結構特徵和紊亂的寶貴資訊。 這些波段也存在於石墨烯的拉曼光譜中，並在我們的另外一篇應用說明中進行了詳細說明，在本文就不另外討論。
圖2：CNT的拉曼光譜。
奈米碳管的可變角度解析偏振拉曼顯微鏡
雖然傳統的拉曼光譜學可用於了解CNT的各種結構特性，但要進一步分析對齊CNT架構的方向需要可以改變角度的極化入射光與分析光。這是因為CNT的拉曼散射橫截面是高度各向異性的，所以當入射和分析的極化在管狀軸上對齊時，也就是偏振與管狀軸正交時，拉曼散射會顯著增強。 因此，如果CNT高度有序和對齊，那麼增強的偏振拉曼散射將與其方向的軸相對應。
可變角度解析偏振拉曼顯微鏡可以使用幾種不同的配置進行。 其中之一涉及在顯微鏡內固定激發光源和接受拉曼散射的分析光的極化，並圍繞Z軸旋轉樣品，以Θ表示的角度，圖3。 在拉曼顯微鏡中，樣品上的X和Y平面分別對應於水平和垂直偏振方向。 在這裡，利用了內部532奈米雷射的垂直偏振，RM5中的收光側被設定為檢測垂直偏振的拉曼散射。 CNT樣品被放置在旋轉支架上，並逐步旋轉10°，在0°至360°之間的每個步驟中，從樣品上的同一點記錄極化拉曼光譜。
圖3：可變角度解析偏振拉曼顯微鏡的實驗設定。 樣品旋轉前(藍虛線框)與旋轉後(黑色實框)的方向。
每個角度1592 cm-1處G+波段的拉曼強度以偏振座標繪製，以呈現CNT的方向，圖4A。 藍色方格表示所記錄的強度，而紅線是用於擬合資料的傅立葉曲線。 擬合呈現雙極性顯示，樣品晶圓上的CNT採沿著單軸對齊，相對於垂直偏振平面，擬合的兩極在約105°和285°上，表示CNT對齊的管狀軸的方向。 可變角度解析偏振拉曼光譜資訊使用原子力顯微鏡（AFM）證實，圖4B，其中可以看出CNT沿著同一軸對齊。
圖4：A）1592 cm-1處的CNT G+拉曼強度的偏振地圖和B）CNT的AFM影像。
結論與重點回顧
在本應用說明中，證明拉曼光譜學可以檢查碳奈米管的多種特性，如應變、管徑、缺陷和特性。
RM5配備了偏振光學元件和旋轉樣品載臺，可用於執行可變角度解析偏振拉曼顯微鏡，以確定奈米碳管在層狀結構中的相對對齊程度和方向。
- 奈米碳管結構因有趣的特性而在許多領域被應用。
- 拉曼光譜學可以分析碳奈米管的各種特性，包括應變、管徑和缺陷。
- 可變角度解析偏振拉曼顯微鏡可用於確定碳奈米管結構的方向和對齊程度。
References
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