Raman光谱——石墨烯表征神器

拉曼光谱的概念

不同的入射光频率的散射光谱进行分析所得到的分子振动、转动的信息，并应用于分子结构分析研究的一种分析方法，称为拉曼光谱(Ramanspectra)。

拉曼光谱的特征

       拉曼散射谱线的波数虽然随入射光的波数而不同，但对同一样品，同一拉曼谱线的位移与入射光的波长无关，只和样品的振动转动能级有关。

       在以波数为变量的拉曼光谱图上，斯托克斯线和反斯托克斯线对称地分布在瑞利散射线两侧，这是由于在上述两种情况下分别相应于得到或失去了一个振动量子的能量。一般情况下，斯托克斯线比反斯托克斯线的强度大。这是由于Boltzmann分布，处于振动基态上的粒子数远大于处于振动激发态上的粒子数。

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。激光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，该峰出现的具体位置与激光波长有关，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，图1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）。

      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。

      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。

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