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石墨烯的层数如何表征?


来源:中国粉体网   平安

[导读]  只有层数在10层以下的石墨才可以看作是二维结构,冠以石墨烯的称谓。

中国粉体网讯  在石墨烯结构表征技术的研究中,对石墨烯的层数表征是其中尤为重要的一个方向。根据石墨烯层数的不同,石墨烯的电子结构会发生显著变化。通常认为,只有层数在10层以下的石墨才可以看作是二维结构,冠以石墨烯的称谓。

其中,单层石墨烯为零带隙半导体,能带结构相对简单,价带与导带在K和K处交于一点,附近载流子满足线性色散关系。双层石墨烯虽然仍是零带隙半导体,但电子能量与动量之间不再表现出线性关系。而对于三层或更多层的石墨烯,其能带结构变得较为复杂,价带与导带开始出现明显的交叠。

据粉体网小编了解,石墨烯的性能与层数密切有关,不同层数的石墨烯具有不同的物理、化学和机械性能。因此,对石墨烯层数的准确表征是一项重要的工作。表征石墨烯的层数可以采取的手段有TEM、RAMAN、AFM、光学显微镜和STM等。

透射电镜(TEM)

采用透射电镜,可以借助石墨烯边缘或褶皱处的高分辨电子显微像来估计石墨烯片的层数和尺寸,如图1所示。据粉体网小编了解,这种方式比较简单快速,但是只能用来估算,无法对石墨烯的层数给予精确判断。若结合电子衍射(ED)或低能电子损失谱(EELS),则可对石墨烯的层数做出比较准确的判断。



图1 单层、双层石墨烯边缘的高分辨率像

拉曼光谱(RAMAN)

利用光的散射效应对石墨烯的层数进行表征的方法。利用拉曼光谱可以鉴别出单层、双层、多层石墨烯和块体石墨间的区别。图2(a)为石墨烯与石墨的拉曼光谱对比图(激光波长:488nm)。可以看出,对于位于1580cm-1左右的G峰和位于2700cm-1左右的2D峰来说,两者在强度、峰位和峰形上均有所不同。而对于具有不同层数的石墨烯来说,可以通过2D峰的峰形、峰位,以及2D峰与G峰的强度比,来很好地区分层数在5层以下的石墨烯,如图2(b)所示。可归纳出单层石墨烯拉曼光谱的三个特点:(1)2D峰为单峰;(2)2D峰的强度远远高于G峰;(3)2D峰的峰位相对于其它层数石墨烯及块体石墨向左偏移。



图2 (a)石墨烯与石墨的拉曼光谱;(b)不同层数石墨烯的拉曼光谱

原子力显微镜(AFM)

通过针尖在石墨烯表面的扫描,根据石墨烯形貌的厚度变化来获得石墨烯的层数。被认为是表征石墨烯片层结构的最有力、最直接有效的工具之一。它可以清晰地反映出石墨烯片的大小、厚度等信息。但由于石墨烯表面存在有吸附物,以及石墨烯与基底的相互作用等因素的影响,所测得厚度比实际厚度大。因此,一般情况下,需要采用光学显微镜配合AFM来准确判定石墨烯层数。

光学显微镜(OM)

主要原理是首先将石墨烯转移到表面有一定厚度氧化层(SiO2)的硅片上;当氧化层的厚度满足一定条件时,在光学显微镜的观察过程中,由于光路衍射和干涉效应,从而导致不同层数的石墨烯会显示出特有的颜色和对比度,如图3所示。据粉体网小编了解,目前经过大量的实践表明,该方法已成为一种比较成熟的,能从宏观上确定石墨烯层数的一种表征方法。

图3 石墨烯的光学图像

其它表征手段

Luican等通过STM观察到附着于HOPG上的三层石墨烯。扫描隧道显微镜(STM)是较早被用来表征石墨烯结构的仪器之一。Hibino等研究表明,采用低能电子显微镜(LEEM)也能区分出不同厚度的石墨烯。通过分析石墨烯与SiC衬底表面反射的量子振动谱可以得到不同厚度的石墨烯,从而判断其层数。此外,Boese等报道了一种采用等离子能量损失图快速表征石墨烯层数的方法,并且指明该方法的精确度可以达到单原子层。

小结:

虽然上述方法均可在一定程度上表征石墨烯的层数,但是每种方法均有其局限性。另外,石墨烯层数的表征结果也会随石墨烯制备工艺的不同而不同。因此,有关石墨烯的精确表征仍需进一步完善。在选择表征方法的时候可以因地制宜,选择合适的方法或者多种表征手段相结合,以提高结果的准确性。

参考资料:

张豫鹏.石墨烯与高质量石墨烯:可控制备、表征、性能与应用

黄宛真,杨倩,叶晓丹等.石墨烯层数的表征

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