石墨烯研究中的分析测试技术

石墨烯研究中的分析测试技术

摘要：石墨烯是一种由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的碳质新材料，具有比表面积大、载流子迁移速率高、导热率高等优良的半导体性能，使得石墨烯逐渐成为研究的热点。对于每一种材料而言，它的测试表征技术在材料的制备和质量检测都是不可或缺的，本文介绍了用于分析和表征石墨烯材料结构的常用的几种表征技术，重点介绍了透射电镜和拉曼光谱分析在石墨烯中的应用，及比较了拉曼光谱与红外光谱吸收的区别。

关键字：石墨烯，透射电镜，拉曼光谱，红外光谱

Analysis techniques of graphene materials

Wu Yuming

(School of Materials Science and Engineering, Shanghai University, Shanghai 200072) Abstract：Graphene is a new carbon-based materials which consists of a flat monolayer of carbon atoms tightly packed into a two-dimensional honeycomb lattice. It has larger surface area, high carrier mobility, high thermal conductivity and other excellent performances, making graphene gradually become a research hotspot. For each material, its test preparation materials characterization techniques in quality is essential, this paper describes the analysis and characterization of graphene materials, structure and preparation of several characterization techniques. This article focuses on the transmission electron microscopy and Raman spectroscopy applications in graphene , and compare the differences between Raman and IR spectroscopy.

Key Words: Graphene, TEM, Raman spectroscopy, IR spectroscopy

1.前言

在地球上含有大量的C元素，而根据晶体中C原子不同的排列方式可以形成很多形貌和性质完全不同的物质，如金刚石、石墨、活性碳等。我们知道，铅笔芯的原材料是石墨，而石墨是一类层状的材料，即由一层又一层的二维平面碳原子网络有序堆叠而形成的。由于碳层之间的作用力比较弱，因此石墨层间很容易互相剥离开来，从而形成很薄的石墨片层，这也正是铅笔可以在纸上留下痕迹的原因。如果将石墨逐层地剥离，直到最后只形成一个单层，即厚度只有一个碳原子的单层石墨，这就是石墨烯。石墨烯的厚度只有0. 335 nm，比纸还要薄100万倍，把20万片石墨烯叠加到一起，也只有一根头发丝的厚度，但是它的强度却比钻石还要坚韧，同时，作为单质，它在室温下传递电子的速度要超过任何一种已知的导体[1]。

石墨烯已经成为当前科学界最热门的材料之一，而Andre Geim和Kostya Novoselov的工作的意义在于：他们通过独特的机械剥离的办法，获得了足够大的单层的石墨烯，并成功地通过输运测量表征了其独特的二维特性和奇妙的电子结构，从而引起了对石墨烯的研究热潮。石墨烯的独特电子结构使人们对石墨烯在未来的应用充满了遐想和希望[2]。

材料分析技术是研究物质的微观状态与宏观性能之间关系的一种手段。人们能通过改变分子或晶体的结构来达到控制物质宏观特性的目的，所以科学技术的发展离不开分析测试。

材料分析方法是通过对表征材料的物理性质或物理化学性质参数及其变化（称为测量信

号或特征信息）的检测实现的。即材料的分析原理是指测量信号与材料成分、结构等的特征关系，采用不同测量信号（相应地具有于材料的不同特征关系）形成了各种不同的材料分析方法。

石墨烯制备出来之后，表征石墨烯的手段很多，光学显微镜( OM )、拉曼光谱( Raman)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM )、X 射线衍射( XRD )、原子力显微镜(AFM )等进行观测。利用这些表征方法，可以帮助我们观测到石墨烯的层数、片层尺寸、合成过程、形貌等信息。通过前两种方法，我们可以高效无破坏地辨识出石墨烯的层数和片层尺寸，通过后3种方法，我们可以更直观具体地了解石墨烯的合成过程和形貌。

2.石墨烯的结构和性质

2.1 石墨烯的结构

碳是地球上最丰富的元素之一，也是构成生命的最基本的元素。单质碳存在形式是多种多样的：如碳构成的金刚石是世界上最坚硬的物质；零维的富勒烯和一维的碳纳米管是近些年来出现的新纳米材料。二维的石墨烯则是由石墨中得来：将石墨的厚度降低到一个原子单层，即是单层的石墨烯。石墨可以看作是许多石墨烯按照一定规则堆垛在一起，层间以范德瓦耳斯力键相连而形成。因此，石墨烯内部为碳原子构成的六角蜂窝状网络结构，实际上可看作是单原子层的石墨[3]。石墨烯也可以看成是构造其他维度碳质材料的基本单元，如它可以包裹成0维富勒烯，也可以卷起来形成一维的碳纳米管(如图1)。

迄今为止，研究者们仍没有发现石墨烯中会有碳原子缺失的情况，但是在2007年，Meyer[4]等人观察到石墨烯的单层并不是完全平整的，它的表面会有一定高度的褶皱(如图2)，单层石墨烯的褶皱程度明显高于双层石墨烯，并且褶皱程度会随着石墨烯层数的增加而越来越小。一些研究者认为，从热力学的角度来分析，这可能是由于单层石墨烯为降低其表面能，由二维形貌向三维形貌转换，或者也可以认为褶皱是二维石墨烯存在的必要条件之一。但具体的原因还有待进一步研究和探索。