石墨烯材料拉曼光譜測(cè)試詳解

1、2004年英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的A.K.Geim領(lǐng)導(dǎo)的小組首次通過機(jī)械玻璃的方法成功制備了新型的二維碳材料石墨烯（graphene）。自發(fā)現(xiàn)以來(lái)，石墨烯在科學(xué)界激起了巨大的波瀾，它在各學(xué)科方面的優(yōu)異性能，使其成為近年來(lái)化學(xué)、材料科學(xué)、凝聚態(tài)物理以及電子等領(lǐng)域的一顆新星。就石墨烯的研究來(lái)說(shuō)，確定其層數(shù)以及量化無(wú)序性是至關(guān)重要的。激光顯微拉曼光譜恰好就是表征上述兩種性能的標(biāo)準(zhǔn)理想分析工具。通過測(cè)量石墨烯的拉曼光譜我們可以判斷石墨烯的層數(shù)、堆垛方

2、式、缺陷多少、邊緣結(jié)構(gòu)、張力和摻雜狀態(tài)等結(jié)構(gòu)和性質(zhì)特征。此外，在理解石墨烯的電子聲子行為中，拉曼光譜也發(fā)揮了巨大作用。石墨烯的典型拉曼光譜圖石墨烯的拉曼光譜由若干峰組成，主要為G峰，D峰以及G’峰。G峰是石墨烯的主要特征峰，是由sp2碳原子的面內(nèi)振動(dòng)引起的，ｗｗｗｇｌｔ９１０ｃｏｍ它出現(xiàn)在1580cm1附近，該峰能有效反映石墨烯的層數(shù)，但極易受應(yīng)力影響。D峰通常被認(rèn)為是石墨烯的無(wú)序振動(dòng)峰，該峰出現(xiàn)的具體位置與激光波長(zhǎng)有關(guān)，它是由于晶格振

3、動(dòng)離開布里淵區(qū)中心引起的，用于表征石墨烯樣品中的結(jié)構(gòu)缺陷或邊緣。G’峰，也被稱為2D峰，是雙聲子共振二階拉曼峰，用于表征石墨烯樣品中碳原子的層間堆垛方式，它的出峰頻率也受激光波長(zhǎng)影響。舉例來(lái)說(shuō)，圖1[1]為514.5nm激光激發(fā)下單層石墨烯的典型拉曼光譜圖。其對(duì)應(yīng)的特征峰分別位于1582cm1附近的G峰和位于2700cm1左右的G’峰，如果石墨烯的邊緣較多或者含有缺陷，還會(huì)出現(xiàn)位于1350cm1左右的D峰，以及位于1620cm1附近的D

4、’峰。峰強(qiáng)度有所不同，且G’峰也有其各自的特征峰型以及不同的分峰方法，因此，G峰強(qiáng)度和G’峰的峰型常被用來(lái)作為石墨烯層數(shù)的判斷依據(jù)。但是當(dāng)石墨烯層數(shù)增加到4層以上時(shí)，雙共振過程增強(qiáng)，G’峰也可以用兩個(gè)洛倫茲峰來(lái)擬合，拉曼譜圖形狀越接近石墨。所以，利用拉曼光譜用來(lái)測(cè)定少層石墨烯的層數(shù)具有一定的優(yōu)越性（清楚、高效、無(wú)破壞性），其給出的是石墨烯的本征信息，而不依賴于所用的基底。圖2（a）1234層石墨烯的拉曼光譜；（b）1~4層石墨烯的拉曼G

5、’峰[12]舉例說(shuō)明，圖3[3]揭示了1~10層石墨烯的拉曼光譜（1550cm11640cm1），右上角插入的圖為石墨烯材料在60Tr的NO2下熱暴露前后的拉曼光譜圖。由圖可知，對(duì)于單層石墨烯和雙層石墨烯，G峰分別位于1614cm1和1608cm1附近。而三層石墨烯的G峰被劈裂成兩個(gè)峰，分別位于1601.5cm1和1584cm1附近，后者標(biāo)記為G（低強(qiáng)度峰）。隨著石墨烯層數(shù)超過3層時(shí)，G峰出現(xiàn)在1582cm1和1598cm1處，低強(qiáng)度峰