石墨烯材料拉曼光譜測試詳解

1、2004年英國曼徹斯特大學(xué)的A.K.Geim領(lǐng)導(dǎo)的小組首次通過機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，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。就石墨烯的研究來說，確定其層數(shù)以及量化無序性是至關(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)為是石墨烯的無序振動峰，該峰出現(xiàn)的具體位置與激光波長有關(guān)，它是由于晶格振

3、動離開布里淵區(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影響。舉例來說，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，還會出現(xiàn)位于1350cm1左右的D峰，以及位于1620cm1附近的D

4、’峰。峰強度有所不同，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峰強度和G’峰的峰型常被用來作為石墨烯層數(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，雙共振過程增強，G’峰也可以用兩個洛倫茲峰來擬合，拉曼譜圖形狀越接近石墨。所以，利用拉曼光譜用來測定少層石墨烯的層數(shù)具有一定的優(yōu)越性（清楚、高效、無破壞性），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峰被劈裂成兩個峰，分別位于1601.5cm1和1584cm1附近，后者標(biāo)記為G（低強度峰）。隨著石墨烯層數(shù)超過3層時，G峰出現(xiàn)在1582cm1和1598cm1處，低強度峰