为什么拉曼光谱研究对石墨烯如此重要？

为什么拉曼光谱研究对石墨烯如此重要？

对于石墨烯的研究者来说，确定其层数以及量化无序性是至关重要的。显微拉曼光谱恰好就是表征上述两种性能的标准理想分析工具

石墨烯是sp2碳原子紧密堆积形成的六边形蜂窝状结构的二维原子晶体，是构建其它sp2杂化碳的同素异形体的基本组成部分，可以堆垛形成三维的石墨，卷曲形成一维的碳纳米管，也可以包裹形成零维的富勒烯。  

石墨烯及碳同素异构体  

直到 2004 年，英国曼彻斯特大学的Geim和No voselov等使用胶带剥离技术，才成功地制备出了单层石墨烯，这一发现也**了科学家关于理想的二维晶体材料由于热力学不稳定性而不能在室温下存在的预言。
作为一种理想的二维原子晶体 ，石墨烯具有超高的电导率和热导率、巨大的理论比表面积、极高的杨氏模量和抗拉强度，可望在微纳电子器件、光电检测与转换材料、结构和功能增强复合材料及储能等广阔的领域得到应用。  

拉曼光谱的石墨烯表征  

对于石墨烯的研究者来说，确定其层数以及量化无序性是至关重要的。显微拉曼光谱恰好就是表征上述两种性能的标准理想分析工具。石墨烯的典型拉曼光谱图如图所示：  

石墨烯的拉曼光谱由若干峰组成，主要为G峰，D峰以及G'峰。G峰是石墨烯的主要特征峰，是由sp2碳原子的面内振动引起的，它出现在1580cm^-1附近，该峰能有效反映石墨烯的层数，但极易受应力影响。
D峰通常被认为是石墨烯的无序振动峰，该峰出现的具**置与激光波长有关，它是由于晶格振动离开布里渊区中心引起的，用于表征石墨烯样品中的结构缺陷或边缘。
    G'峰，也被称为2D峰，是双声子共振二阶拉曼峰，用于表征石墨烯样品中碳原子的层间堆垛方式，它的出峰频率也受激光波长影响。举例来说，上图为514.5nm激光激发下单层石墨烯的典型拉曼光谱图。其对应的特征峰分别位于1582cm^-1附近的G峰和位于2700cm^-1左右的G'峰，如果石墨烯的边缘较多或者含有缺陷，还会出现位于1350cm^-1左右的D峰，以及位于1620cm^-1附近的D'峰。单层石墨烯的G'峰尖锐而对称，并具有完美的单洛伦兹(Lorentzien)峰型。单层石墨烯的G'峰强度大于G峰，且随着层数的增加，G'峰的半峰宽(FWHM: full width at half maximum)逐渐增大且向高波数位移(蓝移)。  

如何判断石墨烯的质量?  

拉曼光谱在表征石墨烯材料的缺陷方面具有独特的优势，带有缺陷的石墨烯在1350cm^-1附近会有拉曼D峰，一般用D峰与G峰的强度比(ID/IG)以及G峰的半峰宽(FWHM)来表征石墨烯中的缺陷密度。  

由于石墨烯的带隙为零，通过化学修饰在sp2碳上引入sp3碳缺陷是人们打开石墨烯带隙的重要方法之一，因而D峰也是衡量其化学修饰程度的一个重要的指标。另外，石墨烯的层间堆垛方式、所处的环境温度、应力作用以及基底效应也会反映在其拉曼光谱特征峰的变化上。  

石墨烯拉曼光谱与层数的关系  

上图为1-10层石墨烯的拉曼光谱，1~4层石墨烯的G峰强度有所不同，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峰强度和G'峰的峰型常被用来作为石墨烯层数的判断依据。随着石墨烯层数超过3层时，G峰出现在1582 cm^-1和1598 cm^-1处，低强度峰的峰强也随着层数的增加而增加。  

SENTERRA II拉曼显微镜  

显微拉曼是传统光学显微镜和拉曼光谱仪独特的化学鉴别优势的有机组合体。这两种分析技术本身都相当强大，但将他们结合在一起之后，则可能对小物体（> 0.5 μm）进行化学分析，因此，这两种技术的结合将光谱与空间信息联系了起来。  

为了获得精确和可靠的显微拉曼测试结果，波长轴的精确校准至关重要。显微拉曼的许多操作变化通常都会对波数准确性产生或多或少的不利影响。（重新）校准通过测量单晶硅标准物质来进行，但SENTERRA II作为一款现代化的显微拉曼具备方便智能的连续实时自动校准功能。  

SENTERRA II 技术亮点：  

1.全自动化的硬件
2.一键切换 4 个内置激光器
3.SureCal实时校准技术
4.快速3D拉曼成像
5.自定义工作流程
6.强大的光谱识别和分析功能
7.联用傅立叶拉曼技术，规避荧光干扰