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拉曼光譜測試石墨烯材料詳解 已有6人參與
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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(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，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，ｗｗｗ．ｇｌｔ９１０．ｃｏｍ是由sp2碳原子的面內(nèi)振動引起的，它出現(xiàn)在1580cm-1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1582cm-1附近的G峰和位于2700cm-1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1350cm-1左右的D峰，以及位于1620cm-1附近的D’峰。 當(dāng)然對于sp2碳材料，除了典型的拉曼G峰，D峰以及G’峰，還有一些其它的二階拉曼散射峰，大量的研究表明石墨烯含有一些二階的和頻與倍頻拉曼峰，這些拉曼信號由于其強(qiáng)度較弱而常常被忽略。如果對這些弱信號的拉曼光譜進(jìn)行分析，也可以很好地對石墨烯中的電子-電子、電子-聲子相互作用及其拉曼散射過程進(jìn)行系統(tǒng)的研究。 石墨烯拉曼光譜與層數(shù)的關(guān)系 多層和單層石墨烯的電子色散不同，導(dǎo)致了拉曼光譜的明顯差異。圖2 [1,2]為532nm激光激發(fā)下，SiO2（300nm）/Si基底上1~4層石墨烯的典型拉曼光譜圖，由圖可以看出，單層石墨烯的G’峰尖銳而對稱，并具有完美的單洛倫茲（Lorentzien）峰型。此外，單層石墨烯的G’峰強(qiáng)度大于G峰，且隨著層數(shù)的增加，G’峰的半峰寬（FWHM：full width at half maximum）逐漸增大且向高波數(shù)位移（藍(lán)移）。雙層石墨烯的G’峰可以劈裂成四個(gè)洛倫茲峰，其中半峰寬約為24cm-1。這是由于雙層石墨烯的電子能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生分裂，導(dǎo)帶和價(jià)帶均由兩支拋物線組成，因此存在著四種可能的雙共振散射過程（即G’峰可以擬合成四個(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。此外，不同層數(shù)的石墨烯的拉曼光譜除了G’峰的不同，G峰的強(qiáng)度也會隨著層數(shù)的增加而近似線性增加（10層以內(nèi)，如圖3[3]所示），這是由于在多層石墨烯中會有更多的碳原子被檢測到。綜上所述，1~4層石墨烯的G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。 舉例說明，圖3[3]揭示了1~10層石墨烯的拉曼光譜（1550cm-1-1640cm-1），右上角插入的圖為石墨烯材料在60 Torr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1614 cm-1和1608 cm-1附近。而三層石墨烯的G峰被劈裂成兩個(gè)峰，分別位于1601.5 cm-1和1584 cm-1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1582 cm-1和1598 cm-1處，低強(qiáng)度峰的峰強(qiáng)也隨著層數(shù)的增加而增加。由此可以確認(rèn)NO2在石墨烯最表層和最里層的吸附效果。 |
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