眾所周知，石墨烯是一種零帶隙的二維原子晶體材料，為了適應(yīng)其快速應(yīng)用，人們發(fā)展了一系列方法來打開石墨烯的帶隙，例如：打孔，用硼或氮摻雜和化學(xué)修飾等，這樣就會(huì)給石墨烯引入缺陷，從而對(duì)其電學(xué)性能和器件性能有很大的影響。拉曼光譜可以快速定性、定量的確定石墨烯的缺陷情況，是一種判斷石墨烯缺陷類型和缺陷密度的非常有效的手段。
G'帶大約在2700cm-1，與石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)有關(guān)，這個(gè)峰的形狀、位置、G'波段的相對(duì)強(qiáng)度決定膜的層數(shù)，可以通過將其分峰來判斷石墨烯的層數(shù)。從圖4中可以看出，本次制備的石墨烯的層數(shù)是不均勻的，呈現(xiàn)出雜亂無章的狀態(tài)，中間區(qū)域相對(duì)于邊緣區(qū)域?qū)訑?shù)較少。
石墨烯的G峰強(qiáng)度在10層以內(nèi)線性增加，之后隨著層數(shù)的增加反而開始變?nèi)?，塊體石墨的拉曼信號(hào)強(qiáng)度比雙層弱，在少層范圍內(nèi)，可以通過拉曼光譜比較快速準(zhǔn)確地判斷石墨烯的層數(shù)。另外，G峰頻率隨層數(shù)增加向低波數(shù)位移(如圖3b)，與層數(shù)的倒數(shù)成線性關(guān)系：
其中
圖4 2700cm-1的多層石墨烯的拉曼特征峰
單層石墨烯的G'峰強(qiáng)度大于G峰，并具有完美的單洛倫茲峰型，隨著層數(shù)的增加，G'峰半峰寬增大且向高波數(shù)位移(藍(lán)移)。G'峰產(chǎn)生于一個(gè)雙聲子雙共振過程，與石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)。對(duì)于AB堆垛的雙層石墨烯，G'峰可以擬合為四個(gè)洛倫茲峰，同樣地，三層石墨烯的G'峰可以用六個(gè)洛倫茲峰來擬合(如圖3b)。不同層數(shù)石墨烯的拉曼光譜除了G'峰的差異，G峰的強(qiáng)度也隨著層數(shù)的增加而近似線性增加。在多層石墨烯中會(huì)有更多的碳原子被檢測(cè)到，因此G峰強(qiáng)度可作為石墨烯層數(shù)的判斷依據(jù)。
5 結(jié)論
本文利用532nm激發(fā)光源檢測(cè)層石墨烯的拉曼光譜。通過對(duì)其拉曼光譜進(jìn)行分析，可以快速準(zhǔn)確地確定石墨烯的層數(shù)；利用其D峰與G峰的強(qiáng)度比可以定量研究石墨烯中的缺陷密度。拉曼光譜在石墨烯領(lǐng)域不僅僅止步于判斷石墨烯的層數(shù)以及缺陷密度，根據(jù)石墨烯的晶格結(jié)構(gòu)和雙共振拉曼散射過程的躍遷選律，利用石墨烯邊緣D峰強(qiáng)度不僅可以判斷邊緣手性結(jié)構(gòu)，也可以分析石墨烯的扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)；另外，外界環(huán)境的變化也會(huì)對(duì)石墨烯的拉曼光譜產(chǎn)生影響，例如溫度、應(yīng)力以及石墨烯所處的基底等等。
石墨烯的拉曼光譜研究工作還有很長的路要走，在這條道路上還會(huì)遇到許多科學(xué)與技術(shù)上的問題，相信隨著廣大科研工作者的進(jìn)一步深入地研究與分析，這些難題將會(huì)逐個(gè)被解決，人們對(duì)拉曼在石墨烯領(lǐng)域的應(yīng)用認(rèn)識(shí)將會(huì)更加的全面與深入。
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【本文作者：分析儀器事業(yè)部（AID）應(yīng)用研發(fā)部張麗文工程師】轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處
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