Theory and Applications Raman Spectroscopy: Theory and Applications

The Nobel Prize in Physics 1930 Introduction A New type of Secondary Radiation C.V. Raman and K.S. Krishnan, Nature, 121(3048): 501-502 (1928). The general key ides of light scattering is equivalent to the X-ray scattering (Compton Scattering) Two types of scattering : one determined by the normal optical properties of the atoms or molecules, and another representing the effect of their fluctuations from their normal state. Prof . Sir C.V. Raman (1988-1970) The Nobel Prize in Physics 1930 “for his work on a scattering of light and for a discovery of the effect named after him”

Raman Rayleigh What is Raman Spectroscopy ? Spectroscopy bases on inelastic scattering (or Raman scattering) of a monochromatic light. The shift in the energy of scattered light compared to the incident beam provide the information of vibrational modes. Raman Rayleigh is frequency of incident beam is vibrational frequency of molecule

Fig 1. Diagram of Raman Scattering

The Difference in Mechanism of IR and Raman Measure IR absorbtion as a function of frequency Measure the vibrational frequency as a shift from the incident beam frequency

The unit of molecular spectra The frequency of the EM wave is expressed as The most common parameter of vibrational spectroscopy is “the wave number” or , which is defined as Ref: John R. Ferraro-Introductory Raman Spectroscopy, Second Edition-Academic Press (2002)

Theoretical background Electric dipole moment defined as : ___(1) Where is molecular polarizability. Oscillating Electric field (of incident light) induced oscillating dipole moment: ___(2)

Actually, Molecular polarizability can be expressed as : ___(3) Static Polarizability (or the Polarizability of non-vibrating molecule ) Normal Vibrational Coordinates Sine the molecule vibration describes by ___(4) Thus, the resultant dipole is Reyleigh Anti-Stokes Stokes

Raman Measurement Laser source Sample cell Wavelength selector Radiation transducer Data analysis

Applications : High pressure Raman Spectroscopy

Phase transition of H2S solid under various pressure

Application of Raman Spectroscopy - Carbon Spheres CMS ID/IG = 1.55 A-CMS ID/IG = 1.05 laser wavelength 532 nm Fig. 1. SEM and optical images of (a) CMS and (b) A-CMS films, high magnification SEM of (c) CMS and (d) A-CMS films, TEM images of (e) CMS and (f) A-CMS films

Application of Raman Spectroscopy High performance dye-sensitized solar cell based on hydrothermally deposited multiwall carbon nanotube counter electrode 1345 1580  1605 laser wavelength 532 nm S. Siriroj et al. APPLIED PHYSICS LETTERS 100, 243303 (2012)

Application of Raman Spectroscopy (Fe-Ni) nanoparticles embedded CNFs as a Low Cost Counter Electrode Material for Dye-Sensitized Solar Cell ID/IG =0.69 1580 ID/IG=1.04 1350 Raman spectra of CNFs and Fe-Ni embedded CNFs carbonized at 1200 °C for 2 h in N2 atmosphere.

D G Application of Raman Spectroscopy Graphene-based counter electrode for dye-sensitized solar cells 1350 cm-1 D -สังเคราะห์กราฟินจากกราไฟต์ออกไซด์ โดยทำการเผาที่อุณหภูมิ 250 – 450 องศา ภาพย่อและขยาย SEM ของกราฟีนที่ 400 องศา Based on the theoretical values of 0.78 nm for single layer graphene, the as-deposited GNs can be identified to be 3–4 graphene layers. As shown in Fig. 1a and b, the printed nanosheets were closely connected and perpendicularly stacked to form a three dimensional (3D) กราฟประสิทธิภาพ DSSC รูปรามานของกราฟินและ highly ordered pyrolytic graphite (HOPG) ซึ่งจากกราฟจะเห็นว่าค่า The annealed GN films presented a unique 3D network structure which enhanced charge transfer reaction within electrolyte by enlarging effective reaction area and ensuring good adhesion of GN catalysts to FTO substrates. 1584 cm-1 ID/IG = 1.63 G Raman spectra of HOPG and as-prepared GN.

Application of Raman Spectroscopy The Study on DLC Hardness Measurement by Raman Scattering Technique 1. ID Position แทนค่าตำแหน่งกึ่งกลางของ D-Band 2. IG Position แทนค่าตำแหน่งกึ่งกลางของ G-Band 3. ID Intensity แทนค่าความสูงของตำแหน่งกึ่งกลางของ D-Band 4. Slope แทนค่ามุมระหว่างของเส้นฐาน (Baseline)กับแนวเส้นที่ขนานกับแกน X โดยเส้นฐานคือเส้นที่ลากจากตำแหน่งของสัญญาณตำแหน่งแรกไปยังตำแหน่งของสัญญาณตำแหน่งสุดท้าย 5. IG Intensity แทนค่าความสูงของตำแหน่งกึ่งกลางของ G-Band 6. ADArea แทนค่าพื้นที่ใต้กราฟของพีค D-Band 7. AGArea แทนค่าพื้นที่ใต้กราฟของพีค G-Band ควบคุมค่าพลังงานของเลเซอร์ให้คงที่ ที่ 20 mW เป็นเวลา 10 วินาทีโดยทำการวัดค่า Raman ในช่วง 1000 cm-1 ถึง 2000 cm-1 หลังจากนั้นจะนำค่าสัญญาณที่ได้ไปแยกออกเป็นสองพีคคือ G-Band หรือพีคที่แทนโครงสร้างของแกรไฟต์หรือ sp2 จะให้ Raman band อยู่ที่ประมาณ 1580 cm-1 และพีคที่สองซึ่งใช้แทนโครงสร้างของแกรไฟต์แบบผลึกหลายรูปจะอยู่ที่ 1360cm-1 ซึ่งเป็นดิสออร์เดอร์จากโหมดการสั่นที่ขอบเขตเกรนของแกรไฟต์ให้เข้าสู่โครง สร้าง sp3 ถูกเรียกว่า D-Band Raman ของ DLC ซึ่งแยกออกเป็น 2 พีคย่อยๆ คือ D-Band และ G-Band

Application of Raman Spectroscopy Resonance Raman spectroscopy of graphite and graphene