4.6 Espectroscopia Raman
4.6.2 Aplicaci ´on de la espectroscopia Raman en nanotubos de carbono
La espectroscopia Raman es una de las m ´as poderosas herramientas para la caracterizaci ´on de nanotubos de carbono, es una caracterizaci ´on r ´apida y no destruc- tiva. Todas las formas alotr ´opicas de carbono pueden ser caracterizadas (fulerenos, nanotubos de carbono, carb ´on amorfo, carbono policristalino y diamante), en donde la posici ´on, el espesor y la intensidad relativa de las bandas son diferentes dependiendo el al ´otropo de carbono. Existen cinco bandas importantes a ser identificadas:
Radial Breathing Mode (RBM) Un pico de baja frecuencia que se encuentra a frecuencias < 200cm−1. El RBM es un fon ´on caracter´ıstico de los SWNT y es inversamente proporcional al di ´ametro del tubo mediante la ecuaci ´on 6 (En donde ωRBM es la frecuencia del pico RBM, A es una constante la cual tiene
valores de 234 para SWNT y 248 para DWNT, B es una constante la cual tiene valores de 10 paraSWNT y 0 paraDWNT, ydt es el diam ´etro del nanotubo).
ωRBM = A dt
+B (4)
Banda D Es debida a los modos vibracionales del carbono sp3, esta banda est ´a asignada a los residuos mal organizados del grafito (la banda D es llamada as´ı por el diamante y los defectos estructurales en los nanotubos de carbono), esta banda se encuentra alrededor de1340cm−1.
Banda G la banda g es causada por los modos vibracionales del carbono sp2, un pico intenso de la banda G es caracter´ıstico de los nanotubos de carbono, correspondiente a la dispersi ´on de los modos de estiramiento E2g del grafito (la
banda G es llamada as´ı por el grafito), esta banda se encuentra entre 1500cm−1
y1600cm−1.
Banda 2D Se observa un modo de segundo orden entre 2450cm−1 y 2650cm−1
asignado al primer sobretono de la banda D y a veces llamado modo G’.
Banda D+G Una combinaci ´on de los modos vibraciones de D y G son observa- dos entre2775cm−1 y2950cm−1.
La relaci ´on de intensidades de las bandas D y G son usualmente utilizadas como indicadores de defectos en los nanotubos de carbono. Entre m ´as peque ˜no sea el valor
ID/IG, ser ´a menor la cantidad de defectos estructurales de los nanotubos de car-
bono.
Aunque existen estas cinco bandas para caracterizar los nanotubos de carbono, en general las bandas m ´as comunmente utilizadas son solo la banda G, la banda D y el modo RBM (en caso de ser SWNT) como se observa en la figura 29.
Figura 29: Picos principales observados en nanotubos de carbono.
Los l ´aseres usados generalmente para identificar MWNT son laseres con energ´ıas
Elaser >2.2eV ´oElaser <1.49eV, puesto que los picos observados son muy similares y
estos espectros pueden caber en el mismo conjunto de Lorentzianas.
Cuando el l ´aser est ´a en el intervalo de 1.49 < Elaser < 2.2eV, los espectros son
caracter´ısticamente distintos (utilizados para identificar simetr´ıa de SWNT), las bandas se ensanchan a bajas frecuencias lo cual es debido a nanotubos de carbono met ´alicos y superconductores.
Cap´ıtulo 5
Resultados y Discusi´on
5.1. Caracterizaci´on de la muestra de MWNT reci´en
sintetizados (en bruto)
La s´ıntesis de nanotubos de carbono de pared m´ultiple (MWNT) es una t´ecnica muy conocida en nuestro grupo de investigaci´on en CNyN-UNAM, la cual se realiz´o bajo las condiciones descritas en la secci´on 3.1.
Figura 30: Difractograma de los MWNT sintetizados.
Los nanotubos de carbono de pared m´ultiple (MWNT) fueron caracterizados por difracci´on de rayos X de polvos en CNyN-UNAM (Philips X’pert MPD), en donde se obtuvieron los siguientes planos cristalinos (ve´ase f gura 30):
(002) a un 2θ= 26.064◦perteneciente al plano cristalino (002) del graf to
turbostr´atico.
(002) a 2θ= 42.96◦; (020) a 2θ= 43.02◦; (111) a 2θ= 43.5◦) correspondientes al
F e3C.
(111) delF e2C a2θ= 44.1◦,.
(101) y (004) del carbono a 2θ= 44.65◦ y2θ= 54.5◦respectivamente. (110) delαF ea2θ = 44.9◦.
Posterior al an ´alisis de rayos X se realiz ´o una microscopia electr ´onica de barrido en CNyN-UNAM (JEOL JSM-5300) sobre el holl´ın de nanotubos de carbono con lo cual se obtuvieron las siguientes im ´agenes.
Figura 31: Micrograf´ıa SEM de los MWNT a 300X.
La figura 31 muestra un acercamiento a 300X en donde se puede observar el arreglo espacial de los nanotubos de carbono, los cuales forman agregados parale- los en forma de ”tapetes”; en la figura 32 se observa un acercamiento a 4000X en donde se puede elucidar a mayor detalle este arreglo paralelo, el objetivo principal de esta caracterizaci ´on es tener un marco de referencia antes de ser aplicado un trata- miento a base de esfuerzos mec ´anicos (tratamiento hidrot ´ermico) y poder observar la desagregaci ´on de estos”tapetes microsc ´opicos”.
Algunos detalles de los nanotubos de carbono no pueden ser apreciados por el SEM por lo cual, se realiz ´o microscopia electr ´onica de transmisi ´on (TEM) en CNyN- UNAM (JEOL JEM-2010). La figura 33 puede muestra la carga interna de hierro as´ı como la estructura tubular de las nanoestructuras. Aunque se detect ´o por me- dio de XRD la presencia de Fe en la muestra, por medio de TEM se corrobora su presencia.
Figura 32: Micrograf´ıa SEM de los MWNT a 4000X.
Figura 33: Micrograf´ıa TEM de los MWNT.
En la figura 34 y 35 se puede apreciar un acercamiento en alta resoluci ´on de la muestra, en las cuales se observan las multicapas del nanotubo de carbono (MWNT) y el di ´ametro exterior del tubo∼50nm.
Para saber la calidad de la muestra de nanotubos sintetizados se decidi ´o realizar un espectro Raman en CIDETEQ (Horiba XploRA ONE), el cu ´al se realiz ´o haciendo incidir el haz (λ = 532nm) en cinco puntos de la muestra y haciendo un promedio de los cinco puntos. Esta caracterizaci ´on es importante pues ser ´a el punto de comparaci ´on para las posteriores caracterizaciones Raman.
Figura 34: Micrograf´ıa TEM de los MWNT.
Figura 36: Espectro Raman control.
La relaci ´on de las bandas D y G para la muestra control fue de ID/IG = 0.43.
As´ı mismo el espectro fue normalizado con respecto al pico G.