中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：石墨烯是由單層碳原子緊密堆積成二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的一種碳質(zhì)新材料。由于其獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的晶體學(xué)質(zhì)量，石墨烯蘊(yùn)含了豐富而新奇的物理現(xiàn)象，使其迅速成為凝聚態(tài)物理領(lǐng)域近年來的研究熱點(diǎn)之一。單層石墨烯可以逐層按不同方式堆垛成多層石墨烯，每一種多層石墨烯材料都顯示出獨(dú)特的電子能帶結(jié)構(gòu)和物理特性。確定多層石墨烯的層數(shù)對(duì)于研究此類材料的物理性質(zhì)和它們?cè)诎雽?dǎo)體器件方面的應(yīng)用有重要意義。目前，英國、美國、韓國等多國正著手推動(dòng)石墨烯的產(chǎn)業(yè)化。我國是石墨烯研究和應(yīng)用開發(fā)最為活躍的國家之一。很多產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的石墨烯產(chǎn)品都是多層石墨烯，而且石墨烯的晶體質(zhì)量也千差萬別，甚至有些廠家把粉體石墨充當(dāng)石墨烯進(jìn)行銷售。如何快速確定不同產(chǎn)品質(zhì)量的石墨烯層數(shù)并建立相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于引導(dǎo)和促進(jìn)我國石墨烯產(chǎn)業(yè)健康和有序發(fā)展非常重要。
目前常用的各種測(cè)試多層石墨烯層數(shù)的方法存在諸多限制。例如，利用原子力顯微鏡可以直接對(duì)多層石墨烯樣品的厚度進(jìn)行測(cè)量，但是由于其單層材料的厚度通常只有納米甚至埃的量級(jí)，原子力顯微鏡的測(cè)試結(jié)果容易受到襯底粗糙度以及樣品表面吸附等因素的影響，這導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果往往存在較大偏差，且測(cè)試效率不高。利用光學(xué)襯度的方法可以有效地對(duì)單層及少層石墨烯樣品進(jìn)行層數(shù)表征，但是隨著層數(shù)增加，相鄰層數(shù)樣品之間的反射光譜差別越來越小，這時(shí)已經(jīng)不足以準(zhǔn)確表征更多層數(shù)的多層石墨烯樣品。另外，利用多層石墨烯樣品本身的拉曼特征模式也可以測(cè)試樣品層數(shù)，但是根據(jù)2D模的峰型變化或者根據(jù)剪切模的峰位至多可鑒別到5層的石墨烯樣品，但是樣品本身拉曼特征模式的峰型和峰位信息容易受到樣品中缺陷以及樣品層間堆垛方式等因素影響，導(dǎo)致層數(shù)測(cè)試方法的失效。
最近，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研究員譚平恒和其博士生李曉莉等人提出了利用支撐石墨烯的多層介質(zhì)襯底拉曼振動(dòng)模的強(qiáng)度來測(cè)試放置于這種多層介質(zhì)襯底上的石墨烯樣品層數(shù)。激光從空氣中穿過石墨烯進(jìn)入多層介質(zhì)襯底，激光的強(qiáng)度會(huì)被多層石墨烯部分吸收，同時(shí)，激光在石墨烯與多層介質(zhì)襯底組成的復(fù)合體系中會(huì)發(fā)生多次反射和干涉，結(jié)果入射到襯底的激光強(qiáng)度還會(huì)受反射和干涉的影響。同時(shí)，襯底被激光所激發(fā)的拉曼信號(hào)通過介質(zhì)層又會(huì)進(jìn)一步發(fā)生多次反射和干涉并受到石墨烯層的吸收，最后被顯微物鏡收集和探測(cè)。因此，被石墨烯覆蓋的(I(SiG))和未被石墨烯覆蓋的(I(Si0))襯底拉曼信號(hào)的強(qiáng)度比I(SiG)/I(Si0)與石墨烯的層數(shù)密切相關(guān)并成單調(diào)變化關(guān)系，可以用來鑒別石墨烯的層數(shù)。研究組以普遍使用的SiO2/Si襯底為實(shí)例，利用傳輸矩陣方法分析了石墨烯層數(shù)、二氧化硅層厚度、顯微物鏡數(shù)值孔徑和襯底拉曼張量等對(duì)I(SiG)/I(Si0)的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)物鏡數(shù)值孔徑小于0.5時(shí)，理論曲線與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合很好，可確定多層石墨烯樣品層數(shù)。研究組也研究了離子注入引入缺陷的多層石墨烯，發(fā)現(xiàn)I(SiG)/I(Si0)數(shù)值與缺陷的存在關(guān)系不大。因此，該方法能避免樣品中缺陷以及樣品層間堆垛方式不同等因素對(duì)層數(shù)測(cè)量的影響，并對(duì)100層以內(nèi)樣品的層數(shù)表征具有很高的準(zhǔn)確性。同時(shí)，該方法實(shí)驗(yàn)測(cè)試簡(jiǎn)單，不依賴于SiO2/Si襯底的取向和入射激光的偏振狀態(tài)，對(duì)不同的實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)具有普適性。該研究工作近期在線發(fā)表于Nanoscale。
利用I(SiG)/I(Si0)可以快速和無損地測(cè)試SiO2/Si襯底上多層石墨烯樣品層數(shù)，不涉及到強(qiáng)度校正并且操作方法簡(jiǎn)單易行。該方法可適用于機(jī)械剝離、化學(xué)氣相沉積等多種方法制備的具有微米級(jí)大小的石墨烯材料產(chǎn)品的層數(shù)鑒別。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員綜合[2014]67號(hào)公告，譚平恒等提出的《拉曼光譜法表征石墨烯層數(shù)》等四項(xiàng)國家標(biāo)準(zhǔn)已正式批準(zhǔn)立項(xiàng)，并于2015年4月14日在北京召開了這四項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的啟動(dòng)會(huì)，以期在石墨烯這種新型納米材料的術(shù)語與定義、制備方法等方面制定科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，引導(dǎo)和促進(jìn)我國石墨烯產(chǎn)業(yè)健康和有序發(fā)展。該項(xiàng)工作的發(fā)表將有利于快速推動(dòng)《拉曼光譜法表征石墨烯層數(shù)》國家標(biāo)準(zhǔn)的制定工作，同時(shí)為其他二維材料的層數(shù)鑒別提供了參考。該工作得到了國家自然科學(xué)基金和國家杰出青年基金的支持。
圖示：利用I(SiG)/I(Si0)來測(cè)試SiO2/Si襯底上多層石墨烯樣品層數(shù)的示意圖以及相應(yīng)的理論模擬和測(cè)試結(jié)果。
