纳米磷化镓粉体中混杂石墨和金刚石微晶的拉曼光谱分析

文章编号:100425929(2007)022*******

纳米磷化镓粉体中混杂石墨和金刚石微晶的拉曼光谱分析Ξ

张兆春1,张毅超1,张　旭1,陆　雅1,郭景康2

(1.上海大学材料科学与工程学院,上海　200072;

2.上海大学生物信息学工程中心,上海　200444)

摘　要:利用Raman光谱并结合能量色散X射线显微分析(EDX)和X射线衍射图谱(XRD)对混杂于纳米磷化镓粉体内的石墨和金刚石纳米微晶进行了分析。结果表明,在纳米G aP粉体Raman光谱中,位于1324cm-1和1572cm-1的两个宽强散射谱带分别归属于金刚石的F2g模和石墨的E2g模振动。EDX结果证实纳米G aP粉体材料中含有碳元素。XRD图谱中出现了石墨和金刚石的低晶面指数衍射峰。

关键词:磷化镓;石墨;金刚石;拉曼光谱

:O649.1 文献标识码:A

R am an Spectroscopy of G raphite and Diamond Microcrystals R etained by G allium Phosphide N anoparticles

ZHAN G Zhao2chun1,ZHAN G Y i2chao1,ZHAN G Xu1,

Lu Ya1,GUO Jing2kang2

(1.School of M aterials Science and Technology,S hanghai U niversity,S hanghai200072;

2.B ioi nf orm atics Research Center,S hanghai U niversity,S hanghai200444)

Abstract:By means of Raman spectroscopy,energy disperse X-ray spectroscopy and X-ray diffraction,the existence of graphite and diamond nanocrystals retained by gallium phosphide

(G aP)nanoparticles was determined.Analysis of the Raman spectroscopy for G aP nanoparti2

cles showed that the observed band at1324cm-1was assigned to the F2g mode of diamond and the band at1572cm-1to the E2g mode of graphite.It was confirmed by EDX analysis that the

G aP nanoparticles contained carbon element.It was showed by the XRD pattern from G aP

nanoparticles that the graphite(100)and(101)and diamond(111)peaks were observed.

K ey w ords:G allium phosphide;Graphite;Diamond;Raman spectroscopy

与常规磷化镓(G aP)单晶材料相比,纳米G aP材料在物理和化学性质方面与之存在着较大的差异,从而使得纳米G aP材料在纳米光学器件、纳米电子器件、光催化等领域具有潜在的应用价值。纳米G aP材料的制备工艺对其物理和化学性质能够产生重要的影响,这是因为利用不同的制备工艺可以得到不同形态的纳米材料,如:纳米G aP微晶、G aP量子点、G aP纳米线、G aP纳米棒、G aP纳米带、G aP纳米管、G aP纳米树等等;此外,即使利用相同的制备方法得到相同形态的纳米材料,材料的物理和化学性质也与其制备工艺息息相关。

利用苯热法可以制备粒径分布较为均匀的G aP纳米粉体[1]。在该制备过程中,无水三氯化镓和磷化钠作为反应物,二甲苯为反应介质,高纯氮气为保护气氛,在温度为80℃时反应一定

Ξ收稿日期:2008208223

2007年6月THE JOURNAL OF L IGHT SCATTERIN G J une12007

时间。将混合产物进行抽滤,使纳米固体颗粒与反应介质分离,再用去离子水洗涤。最后,对固体颗粒进行真空干燥处理。

对纳米G aP粉体的振动光谱进行分析可知[2,3],纳米G aP粉体表面含有P-O键、P=O 键以及O-H键,这是由于在G aP粉体制备过程中的后处理阶段使用去离子水对暴露在空气中的固体颗粒直接洗涤而造成的。另一项氮还原实验结果表明[2,4],由于选用高纯氮气作为保护气氛,以及纳米固体颗粒的水洗净化,使得在未进行通氮处理的滤液中检测到氨。

在本文中,为了更加深入地了解利用苯热法制备的纳米G aP粉体的物理和化学性质,将报道利用Raman光谱、能量色散X射线能谱(EDX)微区分析、X-射线衍射(XRD)分析技术对混杂于纳米G aP粉体材料内的纳米游离态碳的测试分析结果。初步分析表明,碳的来源与制备过程中使用的反应介质(二甲苯)有关。

1　实验

1.1　样品制备

称取0.200g G aP粉体,放入盛有100ml去离子水的锥形瓶中,置于磁力搅拌器上搅拌分散24h。选用220nm的滤膜进行固液抽滤分离。以硅胶为干燥剂对所得深灰色固体进行干燥,该样品标记为w-G aP。所得滤液静止放置一段时间以后,滤液底部出现黑色沉积物质,该黑色固体样品标记为c-G aP。

1.2　样品测试

Raman散射测试选用法国Dilor公司的LabRam-1B型显微Raman光谱仪。光源为He -Ne激光器632.81nm谱线。为了避免热效应对样品测试产生的影响,辐照在样品上的光束直径约为1μm,功率为1.5mW。谱线结果由计算机累计采集输出。测试温度为25℃。

XRD分析在D/max-rC X射线衍射仪上进行,Cu Kα射线,管压40kV,管流100mA,扫描速度为0.5°min-1。

EDX电子探针微区分析在HITACHI S-570扫描电子显微镜以及PHOEN IX能谱仪上进行,电压为20kV。

2　结果与讨论

2.1　R aman光谱

图1为利用苯热法制备的纳米G aP粉体的Raman光谱。在250～2000cm-1范围内,可以观察到4个强Raman散射峰。其中,358cm-1和389cm-1可分别归属为纳米G aP粉体材料的TO模和LO模振动。与常规G aP单晶材料(在300K时,TO模:367cm-1;LO模:403cm-1)相比,纳米G aP粉体材料的TO模和LO模分别红移了9cm-1和14cm-1。造成纳米G aP横向和纵向光学声子模红移的主要原因是量子尺寸效应[5]和晶格畸变[6]。值得一提的是,在1000～1700cm-1范围内,出现了另外两个宽而强的散射峰,分别位于1324cm-1和1572cm-1。

导致出现1324cm-1和1572cm-1两个散射峰的化学物质可能有两种,即:一是由纳米G aP 衍生的化学物质;二是与纳米G aP无关的其它物质。Hudgens等在研究高聚磷酸锂和磷酸钠玻璃的Raman光谱时曾指出磷氧双键(P=O)的对称与反对称伸缩振动峰分别位于1280～1390cm-1和1330～1340cm-1范围内[7]。Bues和G ehrke在研究熔融态和结晶态高聚磷酸盐玻璃的Raman光谱时,把1316cm-1归属为PO2的反对称伸缩振动,而将Simon和Steger测出的同种玻璃的两个位于1385cm-1和1520cm-1的散射峰解释为可能是由玻璃表面吸附水的羟基(δOH)弯曲振动而引起的[8]。利用这些实验结果进行类比分析可以看出,纳米G aP粉体的1324cm-1散射峰似乎与磷氧键的伸缩振动有关,但是与表面吸附水的羟基(δOH)弯曲振动无关;况且纳米G aP粉体的1572cm-1散射峰也难以与表面吸附水的羟基(δOH)弯曲振动加以联系,因为纳米G aP粉体的这两个散射峰与Simon和Steger测出的1385cm-1和1520cm-1分别相差60cm-1和50cm-1。为了消除这种谱峰归属的不确定性,对c-G aP样品进行了Raman光谱测试,结果见图2。