[論文レビュー] Raman Scattering by sp$^2$ Amorphous Carbons

E. F. Sheka, Ye. A. Golubev+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 23, 2020

Carbon Nanotubes in Composites参考文献 70被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、安定したグラフェノイド分子を基本構造単位（BSU）として特定することで、sp²非晶質炭素（sp² AC）におけるラマンスペクトルの分子レベルの解釈を提案する。これらのBSUは、強制的断片化という特徴的なアモルフィシティを示す。研究では、G-D-2Dラマンパターンを分子的・結晶的二重性と関連付け、スペクトルの広がりや2フォノン特徴は電子密度の拡散化と結合長分散に起因するとし、分子的から準粒子フォノンモデルへのサイズ依存的遷移を可能にする。

ABSTRACT

The paper presents a cooperative consideration of Raman spectra of $^2$ amorphous carbons as well as the nature and type of their amorphicity. The latter was attributed to the amorphization of a new type named as enforced fragmentation. The fragments are stable graphenous molecules, which are the basic structural units (BSUs) of the solids, determining them as amorphics with molecular structure. Due to weak intermolecular interaction, BSUs, once aggregated, are the main defendants for IR absorption and Raman scattering of the solids, just justifying the consideration of them at molecular level. The standard G-D-2D pattern of Raman spectra of polycyclic aromatic hydrocarbons, $^2$ amorphous carbons, graphene and/or graphite crystal is attributed to extended honeycomb composition of carbon atoms and are suggested as manifestation of molecule-crystal dualism of graphenous materials. The molecular approximation, applied to the analysis of one-phonon spectra of the studied $^2$ ACs, makes it possible to trace a direct connection of the G-D spectra image as well as their broadband structure with a considerable dispersion of the C=C bond lengths within BSUs honeycomb structure, caused by the influence of chemical action, deformation, etc. This approximation, applied to the interpretation of two-phonon spectrum of graphenous molecules for the first time, reveals a particular role of electrical anharmonicity in the spectra formation and attributes this effect to a high degree of the electron density delocalization. A size-stimulated transition from molecular to quasi-particle phonon consideration of Raman spectra was experimentally traced, which allowed evaluation of a free path of optical phonons in graphene crystal.

研究の動機と目的

• 従来の結晶的モデルを超えて、sp²非晶質炭素におけるラマンスペクトルの起源を解明すること。
• これらの材料におけるアモルフィシティの構造的基盤を特定し、強制的断片化という新しいタイプを提唱すること。
• 1フォノンおよび2フォノンラマンスペクトルに対する分子的近似を確立し、スペクトル特徴と電子的・幾何的歪みを関連付けること。
• サイズの増大に伴う分子的から準粒子フォノン行動への遷移を追跡し、グラフェンにおける光学フォノン平均自由行程の推定を可能にすること。

提案手法

• 著者らは、基本構造単位（BSU）を孤立したグラフェノイド分子として扱う分子的近似を用いて、sp²非晶質炭素のラマンスペクトルを分析する。
• 化学置換や応力によるBSU内におけるC=C結合長分散を組み込むことで、1フォノンスペクトルをモデル化する。
• 2フォノンスペクトルは、ヘキサゴナル格子内での高い電子密度拡散化に起因する電気的非調和性によって解釈される。
• サイズ依存的な分子的から準粒子フォノンモデルへのクロスオーバーは実験的に観察され、光学フォノン自由行程の推定が可能となる。
• 分析は、グラフェノイド材料における分子-結晶二重性のサインとしてのG-D-2Dラマンパターンに根ざしている。
• 理論的・分光的フレームワークを裏付けるために、30ページ、9図、3表、87件の参考文献を用いている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 sp²非晶質炭素におけるアモルフィシティの真の構造的起源は何か？ そして、従来のアモルファイゼーションとはどのように異なるか？
• RQ2 グラフェノイド分子単位における結合長分散と電子拡散化は、観測されたラマンスペクトルにどのように影響を与えるか？
• RQ3 G-D-2Dラマンパターンは、拡張された結晶的モデルではなく、分子レベルの挙動によってどの程度説明可能か？
• RQ4 これらの材料において、サイズの増大に伴い分子的から準粒子フォノン記述への遷移はどのように進行するか？
• RQ5 電気的非調和性は、sp²非晶質炭素の2フォノンラマン特徴を形作る上で果たす役割は何か？

主な発見

• sp²非晶質炭素の基本構造単位（BSU）は、強制的断片化により生じる安定した孤立したグラフェノイド分子であり、これにより分子的基盤のアモルファス構造が形成される。
• 標準的なG-D-2Dラマンパターンは、炭素原子の拡張的ヘキサゴナル構成に起因し、グラフェノイド材料における分子-結晶二重性を反映している。
• GバンドおよびDバンドのスペクトル広がりは、化学的または機械的歪みによって引き起こされるBSU内におけるC=C結合長の顕著な分散に起因する。
• 高い電子密度拡散化に起因する電気的非調和性が、2フォノンラマン特徴の形成における主要因であると特定された。
• サイズに依存する分子的から準粒子フォノンモデルへの遷移が実験的に観察され、グラフェンにおける光学フォノン平均自由行程の推定が可能となった。
• 本研究は、グラフェノイド系において2フォノンラマンスペクトルへの分子的近似の初めての応用を提供し、電子構造と振動応答との直接的な関連を明らかにした。