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| 中科院半導體所發(fā)現可鑒別多層石墨烯層數達100層的新方法 |
| 來(lái)源：中國粉體技術(shù)網(wǎng) 更新時(shí)間：2015-04-22 14:41:45 瀏覽次數： |
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（中國粉體技術(shù)網(wǎng)/班建偉）石墨烯是由單層碳原子緊密堆積成二維蜂窩狀晶格結構的一種碳質(zhì)新材料。由于其獨特的二維結構和優(yōu)異的晶體學(xué)質(zhì)量，石墨烯蘊含了豐富而新奇的物理現象，使其迅速成為凝聚態(tài)物理領(lǐng)域近年來(lái)的研究熱點(diǎn)之一。
多層石墨烯相互疊加的掃描電鏡圖片
目前常用的各種測試多層石墨烯層數的方法存在諸多限制。例如，利用原子力顯微鏡可以直接對多層石墨烯樣品的厚度進(jìn)行測量，但是由于其單層材料的厚度通常只有納米甚至埃的量級，原子力顯微鏡的測試結果容易受到襯底粗糙度以及樣品表面吸附等因素的影響，這導致測試結果往往存在較大偏差，且測試效率不高。利用光學(xué)襯度的方法可以有效地對單層及少層石墨烯樣品進(jìn)行層數表征，但是隨著(zhù)層數增加，相鄰層數樣品之間的反射光譜差別越來(lái)越小，這時(shí)已經(jīng)不足以準確表征更多層數的多層石墨烯樣品。另外，利用多層石墨烯樣品本身的拉曼特征模式也可以測試樣品層數，但是根據2D模的峰型變化或者根據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，導致層數測試方法的失效。
最近，中國科學(xué)院半導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)模的強度來(lái)測試放置于這種多層介質(zhì)襯底上的石墨烯樣品層數。激光從空氣中穿過(guò)石墨烯進(jìn)入多層介質(zhì)襯底，激光的強度會(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)襯底組成的復合體系中會(huì )發(fā)生多次反射和干涉，結果入射到襯底的激光強度還會(huì )受反射和干涉的影響。同時(shí)，襯底被激光所激發(fā)的拉曼信號通過(guò)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。因此，被石墨烯覆蓋的(I(SiG))和未被石墨烯覆蓋的(I(Si0))襯底拉曼信號的強度比I(SiG)/I(Si0)與石墨烯的層數密切相關(guān)并成單調變化關(guān)系，可以用來(lái)鑒別石墨烯的層數。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、二氧化硅層厚度、顯微物鏡數值孔徑和襯底拉曼張量等對I(SiG)/I(Si0)的影響，發(fā)現當物鏡數值孔徑小于0.5時(shí)，理論曲線(xiàn)與實(shí)驗結果吻合很好，可確定多層石墨烯樣品層數。研究組也研究了離子注入引入缺陷的多層石墨烯，發(fā)現I(SiG)/I(Si0)數值與缺陷的存在關(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層數測量的影響，并對100層以?xún)葮悠返膶訑当碚骶哂泻芨叩臏蚀_性。同時(shí)，該方法實(shí)驗測試簡(jiǎn)單，不依賴(lài)于SiO2/Si襯底的取向和入射激光的偏振狀態(tài)，對不同的實(shí)驗測試系統具有普適性。該研究工作近期在線(xiàn)發(fā)表于Nanoscale。
利用I(SiG)/I(Si0)可以快速和無(wú)損地測試SiO2/Si襯底上多層石墨烯樣品層數，不涉及到強度校正并且操作方法簡(jiǎn)單易行。該方法可適用于機械剝離、化學(xué)氣相沉積等多種方法制備的具有微米級大小的石墨烯材料產(chǎn)品的層數鑒別。根據國家標準化管理委員綜合[2014]67號公告，譚平恒等提出的《拉曼光譜法表征石墨烯層數》等四項國家標準已正式批準立項，并于2015年4月14日在北京召開(kāi)了這四項標準的啟動(dòng)會(huì )，以期在石墨烯這種新型納米材料的術(shù)語(yǔ)與定義、制備方法等方面制定科學(xué)標準，引導和促進(jìn)我國石墨烯產(chǎn)業(yè)健康和有序發(fā)展。該項工作的發(fā)表將有利于快速推動(dòng)《拉曼光譜法表征石墨烯層數》國家標準的制定工作，同時(shí)為其他二維材料的層數鑒別提供了參考。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。
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