如何使用動態光散射技術搭配拉曼光譜
精準量測奈米碳管尺寸
 

動態光散射技術(Dynamic Light Scattering, DLS)在奈米材料量測上一直是快速又準確的方法,然而對單壁式奈米碳管(SWNT)而言,由於極高長徑比(aspect retio)的特性,動態光散射無法提供如同量測粒子般精準的結果。但現在動態光散射技術配合拉曼光譜(Ramen spectrum),不但能迅速且有效的量測SWNT尺寸,更能提供結構特性與品質數值,應用於量產品檢驗。下列將敘述本技術如何準確量測SWNT相關特性。


奈米碳管品質

SWNT的拉曼光譜在波數1300 cm-1左右及1600 cm-1分別稱之為D mode與G mode,D mode對應了碳原子SP3鍵結而G mode對應SP2鍵結。SWNT的品質參數(quality factor)可由方程式(1)求得

 (1)

D為D-band最高散射波峰值、G為G-band最高散射波峰值、而B為D-band與G-band附近最低散射波峰值,如圖1所示。Q的範圍為0到1,1表示SWNT有著完美品質,由於SWNT的機械性與電性都會被碳管結構影響,因此Q值是一個能顯著表示批量生產SWNT品質的指標。

 

圖1. 批量生產的奈米碳管在離心前(藍色)與離心後(紅色)的拉曼散射圖譜,兩圖譜強度均有經過G-band波峰高度正規化。

 直徑與對掌性

SWNT的拉曼光譜在波數100-350 cm-1間則稱為徑向呼吸模式(radial breathing mode, RBM),在此區間內的散射波峰頻率與SWNT的直徑有著直接關係。

   (2)

SWNT的直徑也可用對掌性指數(chirality index)的函數來表示

(3)

將方程式(2)與(3)合併,便可得到徑向呼吸模式的散射波峰頻率與對掌性指數的關係式

 (4)

將目標生產之SWNT的對掌性指數帶入方程式(4)可得到相對應散射波峰,並比較該波峰附近的其他散射波峰以鑑定量產SWNT的相對純度。圖2A與B分別為量產SWNT (6,5)與(7,6)及其參雜其他對掌性SWNT的RBM區間拉曼光譜。

 

 

2. A)批量生產之SWNT(6,5)B)SWNT(7,6)RBM拉曼圖譜,可以經由圖譜確認相對純度

水合半徑

另一方面,動態光散射技術是藉由量測樣品布朗運動,再依斯托克斯-愛因斯坦方程式分析可得到樣品的水合半徑,如下所示

 (5)

其中D為擴散係數、k為波茲曼常數、T為溫度、η為黏度、而Dh為水合半徑。而根據研究,SWNT的擴散係數也與其直徑和長度有關

 (6)

其中L與d為SWNT的長度與直徑,將方程式(5)、(6)合併,可以得到SWNT水合半徑與長度及直徑的關係式

 (7)

因此,一個長度大於700nm的SWNT(6,5)樣品,經由拉曼光譜可得到直徑為0.75nm,並由方程式(7)得到其水合半徑約為100nm,剛好位於DLS量測到的SWNT水合半徑範圍內(91-106nm),如圖3所示。同樣地,對於未知長度的SWNT,也可以經由動態光散射與拉曼光譜量測,分析出半徑與水合半徑後得到長度。

 

圖3. SWNT(6,5)與0.2%w/w殼聚糖(分子量190到310kDa)配製之懸浮水溶液經DLS量測14次之平均結果

 


便利、快速、準確的奈米碳管量測方案

動態光散射搭配拉曼光譜是種非常方便、迅速且準確量測高長徑比奈米材料的技術,特別適合應用在奈米碳管製程開發以及驗證。此外,這項量測技術也極具應用在奈米材料及生物治療研究方面之潛力,是未來產業發展可倚靠的分析能量之一。

 

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