千葉大學研究所工學研究院的山田泰弘副教授研究團隊,成功在原子層級解開了長期以來被視為「謎團」的碳材料拉曼光譜(註1)及X射線光電子能譜(XPS)(註2)等光譜中出現的缺陷「謎團」峰的結構起源。透過結合光譜分析與模擬,揭示了環狀醚及非六員環(註3)等特定原子結構對光譜的影響,本研究成果使得前所未有精度地解析碳材料結構成為可能。藉此,作為掌握缺陷精確性質的新評估基礎,有望加速次世代材料的開發,並應用於從航空宇宙工程到燃料電池、絕緣材料等領域的創新碳材料精密設計。 本研究成果已於2026年6月29日在學術期刊Journal of Materials Science上線上公開。 (論文請點此:10.1007/s10853-026-12911-9) ■研究背景 碳材料在從航空宇宙工程到燃料電池、絕緣材料等所有領域都不可或缺,其性能和具體用途極度依賴於結構特性,特別是缺陷的種類和分佈。過去分析碳材料主要使用拉曼光譜、紅外光譜(IR)以及XPS。然而,由於結構條件的多樣性和解釋上的不一致,將特定峰精確歸因於局部化學結構極為困難,原子層級複雜缺陷結構的理解,成為碳材料科學中長期的「黑盒子」(參考文獻)。 圖:碳材料中「缺陷峰」的結構起源解析。圖中紅色峰為缺陷來源的峰。(圖片:Gemini Pro) ■研究成果重點 研究團隊以碳纖維(註4)作為分析模型,建構了包含氧官能基、非六員環及空孔缺陷的34種石墨烯模型,並透過實驗評估與先進光譜計算進行了詳細的結構解析(圖)。 1解開XPS中285 eV峰的真實來源:過去普遍認為源自sp3混成碳(註5)的285 eV附近峰,實際上被發現是源自被三個環包圍的碳原子,這些環包含七員環、八員環等空孔缺陷。 2鎖定拉曼光譜中謎團峰的結構起源:解析出1500〜1550 cm−1的峰,源自近傍的非六員環或環狀醚等氧官能基影響下的六員環內C=C鍵。 ■未來展望 本研究闡明了非六員環及環狀醚等各種缺陷對拉曼光譜及XPS光譜等產生的影響,並建立了精確解釋光譜數據的框架。這些缺陷所引起的特定峰的精確原子層級起源,一直是長期的謎團。本研究成果將成為以前所未有精度評估各種碳材料結構的重要基礎。理解缺陷的精確性質,對於提升材料的機械、熱、電、化學特性至關重要,為面向先進產業及環境應用的次世代碳材料精密工程開闢了道路。今後將繼續推進對不同種類缺陷結構的解明。 ■術語解說 註1) 拉曼光譜法:透過測量物質照射雷射光時散射的光(拉曼散射光),來探測分子振動狀態及結晶結構亂度的分析方法。在碳材料中,作為評估結晶性高低及缺陷程度的極為普遍的手法廣泛使用。 註2) X射線光電子能譜(XPS):透過照射X線至物質,測量放出電子的能量,來探測物質表面元素種類及化學鍵狀態的分析方法。 註3) 非六員環:一般的石墨烯等碳網面由六角形(六員環)的網絡構成,但其結構內產生的五角形(五員環)、七角形(七員環)、八角形(八員環)等異常結構。 註4)碳纖維:高溫製備的一般碳材料。 註5)sp3混成碳:碳原子的一種鍵結狀態,與周圍形成4個單鍵,構成立體正四面體結構的狀態。由於具有非常強固的性質,在碳材料的XPS分析中,過去一般將其解釋為285 eV附近峰的原因。 ■論文資訊 標題:Unveiling origins of defect peaks in carbon materials by analyzing oxygen and non‐hexagonal rings in isotropic pitch‐based carbon fiber using Raman, infrared, X‐ray photoelectron spectroscopy, and density functional theory calculations 作者:Y. Yamada*, M. Morimoto, T. Senda, K. Kondo, S. Sato, S. Kubo, T. Sogabe 期刊名:Journal of Materials Science DOI:10.1007/s10853-026-12911-9 ■參考文獻 標題:Structural control and structural analyses of defects in carbon materials 期刊名:Carbon Reports DOI:10.7209/carbon.030302