石墨烯表徵利器| 顯微拉曼光譜系統

    談到石墨烯，想必大家已經非常不陌生了，它是一種碳原子構成的單層二維蜂巢晶格結構（如下圖所示）的高等新型材料。自2004年第一次製備得到獨立的單層石墨烯後，眾多科學家開始展開對石墨烯的研究。石墨烯真的是目前世界上發現最薄、最堅硬的物質了。據說將一張和食品保鮮膜一樣薄的石墨烯覆蓋在一個杯子上，若是想用一支鉛筆戳穿它，那必須要讓一頭大象站在鉛筆上！

  石墨烯以其非凡的性質在多個領域都展現出廣闊的應用前景，例如複合材料、納電子器件領域、光子感測器、超級電容器。它還可能製造出下一代超級電腦，“太空電梯”的纜線（一種連接衛星和地面的纜線，那時的衛星就變成了有線的風箏）等等…這也太酷炫了！難怪國內外研究石墨烯的團隊越來越龐大了~



 

  在石墨烯的研究中，表徵石墨烯的層數、堆疊方式、缺陷多少、邊緣結構、張力和摻雜狀態等結構性質是十份重要的一部分。拉曼光譜法早已被列為石墨烯常用的表徵方法之一。除此之外，還有TEM、AFM、XRD以及IR等表徵方法。其實無論使用哪種方法對石墨烯的形貌和結構進行表徵都存在一定的侷限性，往往需要同時地使用多種方法共同表徵。拉曼光譜在石墨烯表徵中起到的作用是：1) 表徵石墨烯的層數，並且Raman在這方面具有獨特優勢；2) 能夠反映石墨烯的缺陷，這是判斷石墨烯品質的一個關鍵指標。

下圖是一張典型的石墨烯拉曼光譜圖：



  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（也被稱為2D峰）。G峰（出現在1580cm^-1附近）是石墨烯的主要特徵峰，它是由sp²碳原子的面內振動引起的，該峰能有效反映石墨烯層數，但非常容易受應力影響。D峰（出現在1350 cm^-1左右）通常被認為是石墨烯的無序振動峰，該峰出現的具體位置與雷射波長有關，它是由於晶格振動離開布里元區（Brillouin zone）中心引起的，用於表徵石墨烯樣品中的結構缺陷或邊緣。G’峰（出現在2700cm^-1左右）是雙聲子共振二階拉曼峰，用於表徵石墨烯樣品中碳原子的層間堆疊方式，它的出峰頻率也會受雷射波長的影響。

  石墨烯的拉曼光譜表徵對拉曼設備也提出了較高的要求。 由於石墨烯的單層厚度在原子量級，這就要求拉曼光譜設備必須要具有很高的空間解析度，並且打在樣品表面上的雷射光斑直徑要盡可能的小。 台灣如海的MR1000顯微拉曼光譜系統可以滿足上面的兩點要求，完全可用於石墨烯的表徵。

圖2：MR1000顯微拉曼光譜系統

 MR1000顯微拉曼光譜系統由拉曼光譜儀、拉曼共焦模組、顯微成像系統構成，其中光譜模組可以選擇 405nm、532nm、633nm、785nm、830nm、1064nm的激發波長，並且可在軟體上直接進行不同激發波長的切換，即可實現多波長拉曼的快速自動檢測。若選配自動平臺，MR系列還可以實現自動點掃描進行高光譜成像。

下圖展示了532nm拉曼模組對2個不同的石墨烯樣品進行的測試結果，如下圖所示：

圖3：2個石墨烯樣品的拉曼光譜

  結果表明MR1000可以測得石墨烯的D峰、G峰和2D峰，且譜峰信噪比很高。此外還可以檢測出相對強度較弱的一些二階和頻與倍頻拉曼峰，如D+D’、D+D’’、2D’，這些拉曼訊號通常因為訊號過弱而被雜訊掩蓋，對這些弱訊號進行拉曼光譜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行系統的研究。

 

設備參數

注：以上規格為532nm、785nm、830nm激發波長的標準配置，可根據客戶需求提供定製產品