包括石墨烯、石墨和碳纳米管等在内的碳纳米材料（图1）具有独特的物理和热性能，使其成为电池制造、建筑和运动设备等行业的关键组成部分。

图 1.碳同素异形体的结构

随着这些材料越来越多地用于制造业，对简单、安全和全面的表征方法的需求也不断增长。拉曼光谱是表征碳纳米材料的有效手段之一，因为它在测试时具有快速、选择性和非破坏性等特性。

通常而言，碳材料的拉曼光谱相对简单，但它们也可以根据峰位置、形状和相对强度揭示大量有关内部微晶结构的信息。

基于石墨烯材料的拉曼光谱可以通过三个主要峰来表征：G 带、D 带和 2D 带（带：band，又叫做波段）。G 带出现在大约 1580 cm-1 处，构成了 sp2杂化碳原子的石墨烯面内弯曲运动。石墨烯中的 G 带非常尖锐，显示出高质量的属性，表明高结晶度。

G 带的位置也与石墨烯层数有关，但不会受到激光激发的影响。D带可以被认为是石墨烯样品内无序结构的量度。2D 带与 D 带相反，它不需要靠近缺陷即可激活。2D 带的峰形可用于识别层厚度。与 D 带一样，2D 带也是色散的，因此它会随着不同的激光激发而略有变化。

试验与测试

D带构成了整个石墨烯样品的无序程度，而G带表示结构有序的水平。因此，计算出的 D 和 G 带强度的比值 ( ID/IG ) 可用作确定石墨烯样品质量的半定量参数。

部分碳纳米材料的拉曼光谱如图 2 所示。原始石墨烯的光谱（红色光谱）仅包含 G 带和 2D 带，不存在D 带。此外，2D 带的强度与 G 带的强度之比 ( I 2D / I G ) ≈2。

图 2.石墨烯（红色）、碳纳米管（黑色）、石墨（绿色）和炭黑（蓝色）的拉曼光谱

石墨的光谱（绿色光谱）以放大且不对称的2D带为特征，ID/IG显着降低。碳纳米管的光谱（黑色光谱）是卷起的石墨烯管，显示出适度分裂的 G 带。

G 带被单壁碳纳米管 (SWCNT) 的曲率分成两种简并模式（G +和 G -）。碳黑（蓝色光谱）具有最轻微的结构有序，显示出很强的D带，因此具有高ID/IG。

应该注意的是，如果使用不同于 532 nm 激光的激光进行这些测量，D 带和 2D 带的位置将由于其色散性质而略有变化。

ID/IG的测定

在ASTM E3220-20 石墨烯薄片表征标准指南中详细介绍了使用拉曼光谱计算ID/ IG的说明。在确定峰强度之前，应对光谱进行基线校正。

对于图 3 中的光谱，采用BWSpec 软件进行基线去除，去除基线后再计算光谱的 D 带和 G 带的峰强度。

图 3.碳纳米纤维 (a,b) 和炭黑粉末 (cf) 的拉曼光谱。插图显示了应用于所有数据的基线校正示例。所有光谱都手动偏移以进行校正。注意： ~ 1550 cm -1和~ 2300 cm -1处的尖峰分别归因于空气中的氧气和氮气。

可以计算得到ID/IG，为了便于报告，可以将计算导出到表格中。表 2 显示了软件生成的表类型。

表 2. 从 BWSpec 软件测量的I D、I G和计算的I D / I G

在图 3 中，纳米纤维光谱以 1350 cm-1附近的强 D 带和 G 带不对称为标志。光谱(a)的ID/IG特别高，表明该纳米纤维样品中存在相当程度的无序结构。

炭黑样品的光谱由宽 D 带和 G 带确定，表明样品中的结晶度极低。炭黑样品测得的ID/IG均在 0.5 以上，表明样品结构无序。

该ID/IG可用作石墨烯、石墨、炭黑粉和碳纳米管等快速质量控制测试，可以作为离线或在线测量。