Термостимулированные и динамические эффекты при диагностике и изучении углеродных материалов методом спектроскопии комбинационного рассеяния света

С.И. Исаенко, Т.Г. Шумилова

Институт геологии ФИЦ Коми НЦ УрО РАН, г. Сыктывкар, 167982, Россия

ОРИГИНАЛЬНАЯ СТАТЬЯ

Полный текст PDF

DOI: 10.26907/2542-064X.2021.1.72-87

Для цитирования: Исаенко С.И., Шумилова Т.Г. Термостимулированные и динамические эффекты при диагностике и изучении углеродных материалов методом спектроскопии комбинационного рассеяния света // Учен. зап. Казан. ун-та. Сер. Естеств. науки. – 2021. – Т. 163, кн. 1. – С. 72–87. – doi: 10.26907/2542-064X.2021.1.72-87.

For citation: Isaenko S.I., Shumilova T.G. Thermally stimulated and dynamic effects in identification and study of carbon materials by Raman spectroscopy. Uchenye Zapiski Kazanskogo Universiteta. Seriya Estestvennye Nauki, 2021, vol. 163, no. 1, pp. 72–87. doi: 10.26907/2542-064X.2021.1.72-87. (In Russian)

Аннотация

В настоящее время спектроскопия комбинационного рассеяния света применяется как один из базовых методов исследований углеродных материалов, однако использующиеся лазерные источники возбуждения в силу высокой интенсивности излучения могут оказывать существенное влияние на характер спектров и поведение самого вещества. С целью выявления особенностей влияния лазерного нагрева непосредственно на анализируемый образец при регистрации спектров комбинационного рассеяния и изучения условий, при которых происходит термическая трансформация вещества, а также для оценки влияния нагрева на итоговые спектральные характеристики нами исследованы природные и техногенные углеродные фазы различной степени структурной упорядоченности: высококристаллический графит, стеклоуглерод, кубический монокристаллический алмаз, гексагональный монокристаллический алмаз (лонсдейлит), ультрананокристаллический алмаз. Определены критические размеры анализируемых частиц для исследованных углеродных материалов. Показано, что контролируемое применение эффекта термического воздействия лазерного излучения может быть использовано для получения детализированных спектроскопических характеристик, проявляющихся при сильном нагреве образцов, а также для раскрытия минеральных индивидов.

Ключевые слова: спектроскопия комбинационного рассеяния света, лазерный нагрев, углеродные материалы, высококристаллический графит, стеклоуглерод, лонсдейлит, ультрананокристаллический алмаз, импактиты

Благодарности. Работа выполнена по теме НИР госзадания (ГР № AAAA-A17-117121270036-7) ИГ ФИЦ Коми НЦ УрО РАН.

Литература

1. Raman C., Krishnan K. A new type of secondary radiation // Nature. – 1928. – V. 121 – P. 501–502. – doi: 10.1038/121501c0.
2. Ferrari A.C., Robertson J. Raman spectroscopy of amorphous, nanostructured, diamond-like carbon, and nanodiamond // Philos. Trans. R. Soc., A. – 2004. – V. 362, No 1824. – P. 2477–2512. – doi: 10.1098/rsta.2004.1452.
3. Ferrari A., Basko D. Raman spectroscopy as a versatile tool for studying the properties of graphene // Nat. Nanotechnol. – 2013. – V. 8. – P. 235–246. – doi: 10.1038/nnano.2013.46.
4. Edwards H.G., Hutchinson I.B., Ingley R., Parnell J., Vítek P., Jehlička J. Raman spectroscopic analysis of geological and biogeological specimens of relevance to the ExoMars mission // Astrobiology. – 2013. – V. 13, No 6. – P. 543–549. – doi: 10.1089/ast.2012.0872.
5. Wopenka В., Pasteris J.D. Structural characterization of kerogens to granulite-facies graphite: Applicability of Raman microprobe spectroscopy // Am. Mineral. – 1993. – V. 78, No 5–6. – P. 533–557.
6. Krishna R., Unsworth T.J., Edge R. Raman Spectroscopy and Microscopy. Reference Module in Materials Science and Materials Engineering. – Elsevier, 2016. – doi: 10.1016/B978-0-12-803581-8.03091-5.
7. Mestl G. In situ Raman spectroscopy – a valuable tool to understand operating catalysts // J. Mol. Catal. A: Chem. – 2000. – V. 158, No 1. – P. 45–65. – doi: 10.1016/S1381-1169(00)00042-X.
8. Nasdala L., Hofmeister W., Harris J.W., Glinnemann J. Growth zoning and strain patterns inside diamond crystals as revealed by Raman maps // Am. Mineral. – 2005. – V. 90, No 4. – P. 745–748. – doi: 10.2138/am.2005.1690.
9. Исаенко С.И., Шумилова Т.Г. Особенности определения остаточных напряжений в алмазе с помощью рамановской спектроскопии включений углеродного вещества // Вестн. ИГ Коми НЦ УрО РАН. – 2018. – № 10. – С. 47–55. – doi: 10.19110/2221-1381-2018-10-47-55.
10. Akahama Y., Kawamura H. Diamond anvil Raman gauge in multimegabar pressure range // High Pressure Res. – 2007. – V. 27, No 4. – P. 473–482. – doi: 10.1080/08957950701659544.
11. Boppart H., van Straaten J., Silvera I.F. Raman spectra of diamond at high pressures // Phys. Rev. B. – 1985. – V. 32, No 2. – P. 1423–1425. – doi: 10.1103/PhysRevB.32.1423.
12. Glinnemann J., Kusaka K., Harris J.W. Oriented graphite single-crystal inclusions in diamond // Z. Kristallogr. – 2003. – V. 218, No 11. – P. 733–739. – doi: 10.1524/zkri.218.11.733.20302.
13. Hanfland M., Beister H., Syassen K. Graphite under pressure: Equation of state and first-order Raman modes // Phys. Rev. B. – 1989. – V. 39, No 17. – P. 12598–12603. – doi: 10.1103/PhysRevB.39.12598.
14. Korsakov A.V., Toporski J., Dieing T., Yang J., Zelenovskiy P.S. Internal diamond morphology: Raman imaging of metamorphic diamonds // J. Raman Spectrosc. – 2015. – V. 46, No 10. – P. 880–888. – doi: 10.1002/jrs.4738.
15. Tan P.H., Deng Y.M., Zhao Q. Temperature-dependent Raman spectra and anomalous Raman phenomenon of highly oriented pyrolytic graphite // Phys. Rev. B. – 1998. – V. 58, No 9. – P. 5435–5439. – doi: 10.1103/PhysRevB.58.5435.
16. Zouboulis E.S., Grimsditch M. Raman scattering in diamond up to 1900 K // Phys. Rev. B. – 1991. – V. 43, No 15. – P. 12490–12493. – doi: 10.1103/PhysRevB.43.12490.
17. Shumilova T.G., Isaenko S.I., Ulyashev V.V., Kazakov V.A., Makeev B.A. After-coal diamonds: An enigmatic type of impact diamonds // Eur. J. Mineral. – 2018. – V. 30, No 1. – P. 61–76. – doi: 10.1127/ejm/2018/0030-2715.
18. Sandler J., Shaffer M.S.P., Windle A.H., Halsall M.P., Montes-Morán M.A., Cooper C.A., Young R.J. Variations in the Raman peak shift as a function of hydrostatic pressure for various carbon nanostructures: A simple geometric effect // Phys. Rev. B. – 2003. – V. 67, No 3. – Art. 035417, P. 1–8. – doi: 10.1103/PhysRevB.67.035417.
19. Obraztsova E.D., Fujii M., Hayashi S., Kuznetsov V.L., Butenko Y.V., Chuvilin A.L. Raman identification of onion-like carbon // Carbon. – 1998. – V. 36, No 5–6. – P. 821–826. – doi: 10.1016/S0008-6223(98)00014-1.
20. Robinson I.M., Zakikhani M., Day R.J., Young R.J., Galiotis C. Strain dependence of the Raman frequencies for different types of carbon fibres // J. Mater. Sci. Lett. – 1987. – V. 6, No 10. – P. 1212–1214. – doi: 10.1007/bf01729187.
21. Mohiuddin T.M.G., Lombardo A., Nair R.R., Bonetti A., Savini G., Jalil R., Bonini N., Basko D.M., Galiotis C., Marzari N., Novoselov K.S., Geim A.K., Ferrari A.C. Uniaxial strain in graphene by Raman spectroscopy: G peak splitting, Grüneisen parameters, and sample orientation // Phys. Rev. B. – 2009. – V. 79, No 20. – Art. 205433, P. 1–8. – doi: 10.1103/PhysRevB.79.205433.
22. Kagi H., Tsuchida I., Wakatsuki M., Takahashi K., Kamimura N., Iuchi K., Wada H. Proper understanding of down-shifted Raman spectra of natural graphite: Direct estimation of laser-induced rise in sample temperature // Geochim. Cosmochim. Acta. – 1994. – V. 58, No 16. – P. 3527–3530. – doi: 10.1016/0016-7037(94)90104-X.
23. Prawer S., Nugent K.W., Jamieson D.N., Orwa J.O., Bursill L.A., Peng J.L. The Raman spectrum of nanocrystalline diamond // Chem. Phys. Lett. – 2000. – V. 332, No 1–2. – P. 93–97. – doi: 10.1016/S0009-2614(00)01236-7.
24. Исаенко С.И., Шумилова Т.Г. Термостимулированное расщепление КР-активных мод лонсдейлита // Вестн. ИГ Коми НЦ УрО РАН. – 2011. – № 9. – С. 29–33.
25. Shumilova T.G., Mayer E., Isaenko S.I. Natural monocrystalline lonsdaleite // Dokl. Earth Sci. – 2011. – V. 441, Pt. 1. – P. 1552–1554. – doi: 10.1134/S1028334X11110201.
26. Езерский В.А. Ударно-метаморфизованное углистое вещество в импактитах // Метеоритика. – 1982. – Вып. 41. – С. 134–140.
27. Shumilova T.G., Ulyashev V.V., Kazakov V.A., Isaenko S.I., Vasil’ev E.A., Svetov S.A., Chazhengina Y., Kovalchuk N.S. Karite – diamond fossil: A new type of natural diamond // Geosci. Front. – 2020. – V. 11, No 4. – P. 1163–1174. – doi: 10.1016/j.gsf.2019.09.011.
28. Yezerskiy V.A. High pressure polymorphs produced by the shock transformation of coals // Int. Geol. Rev. – 1986. – V. 28, No 2. – P. 221–228. – doi: 10.1080/00206818609466264.
29. Уляшев В.В., Шумилова Т.Г., Кульницкий Б.А., Пережогин И.А., Бланк В.Д. Наноструктурные особенности углеродных полифазных агрегатов апоугольных продуктах импактного метаморфизма // Вестн. ИГ Коми НЦ УрО. Сыктывкар – 2018. – № 8. – С. 26–33. – doi: 10.19110/2221-1381-2018-8-26-33.

Поступила в редакцию

16.11.2020

Исаенко Сергей Иванович, кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник

Институт геологии ФИЦ Коми НЦ УрО РАН

ул. Первомайская, д. 54, г. Сыктывкар, 167982, Россия

E-mail: s.i.isaenko@gmail.com

Шумилова Татьяна Григорьевна, доктор геолого-минералогических наук, заведующий лабораторией минералогии алмаза

Институт геологии ФИЦ Коми НЦ УрО РАН

ул. Первомайская, д. 54, г. Сыктывкар, 167982, Россия

E-mail: tg_shumilova@mail.ru

Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.