研究石墨烯的結構，有助於了解結構缺陷如何影響材料的特性。 拉曼不僅可以用於確定結構缺陷，還可用於確定樣品中的層數和應變，從而更深入地瞭解其結構如何影響其應用。
介紹
自20世紀40年代的理論預測和2004年從石墨實驗中分離以來，石墨烯在半導體、生物工程、微電子、電池和複合材料等各個應用領域迅速成為一種非常理想的量子材料。生產大規模、無缺陷、層層均勻的石墨烯元件對許多應用至關重要。 原始單層石墨烯表現出出色的機械、熱和電子性質，隨著層數、應變和缺陷的增加而變化。因此，探測石墨烯元件均勻性的方法對生產品管 至關重要。
愛丁堡儀器RM5共聚焦拉曼顯微鏡是分析石墨烯的理想選擇。 拉曼揭露了石墨烯的結構和電子特性的資訊。它可以使用石墨烯拉曼光譜中訊號的相對強度和位置來呈現結構缺陷、應變、和層堆疊的位置，圖1。 在本應用說明中，透過分析取得石墨烯薄膜上的層數、應變和缺陷，展示了RM5和Ramacle®軟體對石墨烯的分析能力。
圖1。 用於石墨烯化學影像中標記常見振動模式的石墨烯的拉曼光譜。 D波段ca. 1350 cm-1是sp2碳環的環呼吸模式，在有缺陷的石墨烯中是拉曼活性的，G波段ca. 1585 cm-1是由sp2鍵的平面內拉伸振動模式引起的，2D波段ca. 2680 cm-1起源於雙共振增強的雙聲子側向振動過程。
研究石墨烯結構缺陷的材料和方法
分析的樣品是沉積在矽基板上的單層和雙層石墨烯薄膜。 使用配備532奈米雷射、100X 0.9 NA物鏡和CCD偵測器的拉曼光譜儀RM5，在樣品上進行了拉曼量測，並使用Ramacle軟體做量測參數設定與圖譜分析量測。
圖層編號：G和2D波段的比率測量圖
石墨烯樣品的層數變化可以從拉曼光譜中G波段（IG）和2D波段（I2D）的相對峰值強度中確定。5隨著石墨烯中層數的增加，IG相對於I2D增加。因此，2D/G波段訊號比率（I2D/IG）可以呈現石墨烯片和薄膜的均勻性和層數。
使用RM5分析雙層石墨烯樣品。 IG、I2D和峰值比I2D/IG的分布圖在Ramacle中產出，如圖3所示。 I2D/IG峰值比在0.1和2之間在地圖上有很大差異（圖3c），顯示石墨烯樣品的層數存在顯著變化。 單層石墨烯的I2D/IG通常為≥2，而在雙層石墨烯中，I2D/IG接近1。 額外的石墨烯層導致I2D/IG值低於1.7,8。 因此，地圖上的黑色區域（高I2D/IG）屬於單層石墨烯，紫色區域則具有雙層石墨烯區域，黃色區域（低I2D/IG）則屬於多層石墨烯。 圖3d中的光譜顯示了不同區域內收集的光譜中I2D/IG的顯著變化。
圖3。 用於確定層數的石墨烯的I2D/IG拉曼對應。
應變：G和2D波段的峰值位置對映
材料的應變導致鍵結長度發生變化，改變其振動頻率和材料本身的特性。 因此，拉曼光譜對應變非常敏感。在石墨烯中，應變與振動模式的頻率變化有關。 這呈現在在G和2D波段的拉曼移上，這意味著這些波段的位置可用於建立石墨烯表面的應變圖。
圖4。 拉曼量測的石墨烯峰值的對應位置。
圖4使用拉曼顯微鏡分析了在包含幾個裂縫的矽晶圓上生長的單層薄膜，以追蹤石墨烯的應變，圖4。 樣品上分析的區域覆蓋了Si基板上的兩個裂縫，這些裂縫可能會影響沉積在頂部的石墨烯薄膜機械效能並誘發應變。圖4b構建了G波段的峰值位置影像，這清楚地顯示了石墨烯位於裂縫頂部的區域的波段頻率下降。 G波段頻率的降低顯示石墨烯層的拉伸應力。 拉伸應力拉長了石墨烯片，降低了振動模式能量，導致波數轉向較低波數(藍位移)。 圖4c顯示了應變和非應變區域的光譜，其中還可以看到應變石墨烯中2D波段的頻率會減少。
圖4b中G波段的頻率下降也可能是由石墨烯層數的增加引起的。 然而，IG會隨著層數的增加而增加，圖4a顯示，G波段頻率減少區域的IG也會減少。因此，可以得出結論，峰值偏移是由於應變，而不是層數。 有趣的是，強度圖還顯示了高IG區域，以奶油色呈現，可以視為多層石墨烯。
缺陷：D波段和G波段的比率測量
拉曼顯微鏡可以追蹤石墨烯樣品的缺陷，因為非定序的晶格排列會產生D和D’拉曼峰值約1350cm-1和1640 cm-1。 這些在缺陷石墨烯的光譜中是允許的，因為缺陷提供了缺失的動量，以滿足拉曼散射過程中的守恆。8石墨烯中缺陷的數量和性質會顯著影響效能，根據材料的預期應用，缺陷可能是有害的，也可以是有利的。例如，缺陷已被證明會降低沉積在基質上的石墨烯上的電子流動性，但根據其他研究，它們也會增強石墨烯基催化劑的反應性。
石墨烯樣品的ID與IG使用RM5的Ramacle軟體進行分布分析。 隨後在Ramacle中呈現ID/IG，結果影像如圖5c所示。 ID/IG是確定樣品上原始石墨烯和缺陷密集區域石墨烯的寶貴指標。 在原始石墨烯中，這個比率通常接近0，隨著缺陷密度的增加，這個比率也會增加。 在圖5c中，深藍色區域呈現為低缺陷密度石墨烯，紅色和黃色陰影區域呈現為高缺陷密度石墨烯。 圖5d顯示了拉曼影像不同區域的光譜。
在高缺陷密度區域，D波段比G波段更強烈，而在低缺陷密度區域，G波段佔主導地位，沒有D波段可見。D’帶也存在於缺陷密集區域，並表現為G波段的高拉曼移位。 D和D’波段之間的比率也可用於區分不同的缺陷型別；例如，較大的值與sp3型缺陷相關聯，較低的值與空洞型缺陷相關聯。
圖5。 用於石墨烯缺陷檢測的ID/IG拉曼影像。
結論與重點回顧
本文呈現愛丁堡儀器RM5共軛焦拉曼顯微鏡用於量測石墨烯薄膜中的層數、應變和缺陷密度的結果。 RM5是全面分析石墨烯的理想選擇，包括研究石墨烯的結構缺陷，取得高靈敏度和高空間解析度的石墨烯多層結構和電子特性的豐富資訊。
- 愛丁堡儀器RM5拉曼顯微鏡是量測石墨烯的材料特性的理想選擇。
- 可以使用G和2D波段強度比來表現石墨烯均勻性與層數。
- 可以使用G和2D波段的強度和峰值位置建立結構應變分布圖。
- 缺陷可以使用D和G波段強度比進行預估。