碳纳米材料（如石墨烯、石墨和碳纳米管等）因其独特的物理和热特性，成为了电池制造、建筑和运动设备等行业的关键组成部分。随着这些材料在制造业中的广泛应用，对其进行简单和稳健的表征变得愈发重要。
拉曼光谱作为一种有效的表征手段，因其快速、选择性和非破坏性等特性，在碳纳米材料的研究中发挥着重要作用。碳材料的拉曼光谱相对简单，通常通过三个主要峰来表征：G 带、D 带和 2D 带。
图 1.各种碳素异形体的结构 G 带位于约 1580cm⁻¹ 处，代表 sp² 杂化碳原子的石墨烯面内弯曲振动，其峰形尖锐程度与石墨烯的结晶度相关，且位置与石墨烯层数有关，与激光激发无关。 D 带是石墨烯样品内无序结构的量度，代表石墨烯中 sp² 杂化碳原子环的环呼吸振动模式。在原始石墨烯中，D 带不可见，只有当石墨烯存在缺陷或接近边缘时才能观察到。D 带具有色散性，易受激光激发的影响。 2D 带是 D 带的倍频峰，不需要靠近缺陷即可激活，其峰形可用于识别层的厚度。与 D 带一样，2D 带也具有色散性，会随激光激发的不同而略有变化。
实验
在试验中，我们选用B&W Tek的DlY Raman -532模块化拉曼系统获取数据，该系统由 532nm 激光器、光纤拉曼探头和高性能探测器组成。532nm 激光器常用于碳元素的拉曼测量，配合外罩装置可将等级为 3b 级的激光器作为 1 级激光器使用，使其适用于教育机构或生产车间等场所。激光功率一般为～35mW，采集时间为 30 - 90s。
碳纳米材料的拉曼光谱
原始石墨烯的光谱(红色光谱)只包含G带和 2D 带;没出现D带。此外，2D 带的强度与G带的强度比(l2D/lG)≈2。
石墨的光谱(绿色光谱)的特点是 2D 带变宽和不对称，而且l2D/lG要低得多。
碳纳米管的光谱(黑色光谱)是卷起的石墨烯管，表现出为G带有轻微分裂。[1]G带被单壁碳纳米管(SWCNTS)的曲率分成两种简并模式 G+和 G-。
碳黑(蓝色光谱)具有轻微的结构有序，表现出较强的D带，因此具有较高的lD/lG。
值得注意的是如使用 532nm 以外其他不同的激光进行这些测量，由于其色散的特性，D带和 2D 带的位置会略有变化。
lD/lG的确定
使用拉曼光谱计算lD/lG的指南被记录在ASTM E3220-20《Standard Guidefor Characterization ofGrapheneFlakes》[2]。在确定峰强度之前，采用 BWSpec软件对数据进行基线去除，去除基线后再测量光谱的D带和G带的峰强度，进而可以计算出lD/lG。
在 BWSpec软件可设置报lD、lG的值，并采集的光谐中计算得到lD/lG。为便于报告，计算结果也可以导出到表格。表1显示了在软件生成的表格。
在图 3 中：
碳纳米纤维光谱的特点是 G 带的不对称性。图（a）的 lD/lG特别高，表明该碳纳米纤维样品中存在着相当程度的无序结构。
碳黑样品的光谱由宽 D 带和 G 带确定，表明样品中的结晶度很低。光谱（a）的lD/lG特别高，表明该纳米纤维样品内存在高度的结构紊乱。
碳黑样品测到的lD/lG都在 0.5 以上，表明样品中存在无序结构。在石墨烯、石墨、碳纳米管和碳黑粉的制造中，通过离线或在线测量，lD/lG的值可以作为快速的质量控制测试项。
拉曼光谱已经发展成为表征碳纳米材料的一种有价值的技术。碳的拉曼光谱也非常简单，通常只有三个特征峰。峰的强度、形状和位置揭示了有关样品内部结晶度的信息。研究人员和制造商可以利用样品的lD/lG的值来表征他们的碳纳米材料。
参考文献：
1. A.C.Ferrari. Solid State Communications.143,47 - 57 (2007)
2. ASTM E3220 - 20, Standard Guide for Characterization of Graphene Flakes, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2020, www.astm.org